Nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220 KV ninh bình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ VĂN ĐẮC

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI HỢP CÁCH ĐIỆN
TRONG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên, năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ VĂN ĐẮC

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI HỢP CÁCH ĐIỆN
TRONG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8.52.02.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Duy Cương

Thái Nguyên, năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Lê Văn Đắc
Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Sở Kế hoạch và Đầu tư tỉnh Ninh Bình
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách
điện trong Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Tơi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này
là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Nguyễn Duy Cương và sự giúp đỡ của các thầy, cô và cán bộ Khoa Điện,
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nội dung
nghiên cứu chưa được cơng bố.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, ngày

tháng

Học viên thực hiện

Lê Văn Đắc

i

năm 2020


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận
được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Nguyễn Duy Cương, người
trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và
sâu sắc tới thầy.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện
tốt nhất để tơi có thể hịan thành đề tài nghiên cứu này. Tơi cũng xin chân
thành cảm ơn những đóng góp q báu của các bạn cùng lớp động viên và
giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến
các cơ quan xí nghiệp đã giúp tơi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục
vụ cho luận
văn.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình,
đồng nghiệp và bạn bè đã ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tơi
trong suốt q trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày

tháng
Học viên

Lê Văn Đắc

ii

năm 2020


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu .............1

2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.......................................................................2
3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.........................................................................2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................3
5. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................4
6. Phương pháp nghiên cứu................................................................................4
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN ...........................................................................................................5
I. GIỚI THIỆU CHUNG...........................................................................................5
II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .6
1. Quá điện áp tạm thời...........................................................................................6
2. Quá điện áp quá độ .............................................................................................8
III. QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐĨNG ĐƯỜNG DÂY KHƠNG TẢI - HIỆU ỨNG
FERRANTI ...............................................................................................................9
IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT .........................................................................................11
1. Tham số của phóng điện sét..............................................................................13
2. Phân bố đỉnh và độ dốc đầu sóng dịng điện sét ...............................................16
3. Q điện áp khí quyển trên đường dây tải điện ................................................18
IV. HIỆN TRẠNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH .................................20
1. Tổng quan trạm biến áp 220 kV Ninh Bình .....................................................20
2. Thơng số đường dây và thông số các thiết bị điện khác...................................20
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1........................................................................................21
CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH BẰNG
PHẦN MỀM
ATPDraw.......................................................................................................22
I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MƠ ĐUN ATPDRAW...................................22
1. Chương trìn ATP-EMTP ..................................................................................22
2. Mơ đun ATPDraw ............................................................................................23

5

II. MƠ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
ATPDraw ................................................................................................................29
1. Giới thiệu ..........................................................................................................29
2. Mơ hình trạm biến áp 220 kV Ninh Bình .........................................................29
3. Mơ hình các phần tử trong sơ đồ ......................................................................31
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2........................................................................................44
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ
CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP. ..............................................................................................45
I. GIỚI THIỆU CHUNG.........................................................................................45
II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP. ...........45
1. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp............................................46
2. Ảnh hưởng điện trở chân cột tới quá điện áp ...................................................48
3. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh ............................................49
4. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ..................................................50
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3........................................................................................51
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2
VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DỰ TRỮ CÁCH ĐIỆN. .......................................................53
I. TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 ............................................53
II. BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP BẰNG CHỐNG SÉT VAN .....................................54
1. Giới thiệu chung. ..............................................................................................54
2. Đặc tính phi tuyến của chống sét van. ..............................................................59
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHI BẢO VỆ BẰNG CHỐNG SÉT VAN..........60
1. Không lắp đặt chống sét van.............................................................................60
2. Đặt 2 CSV tại đầu AT1 và AT2........................................................................61
3. Đặt 2 CSV trên thanh góp.................................................................................61
4. Đặt 4 chống sét van...........................................................................................62
IV. ĐÁNH GIÁ ĐỘ DỰ TRỮ CÁCH ĐIỆN .........................................................62
1. Hệ số bảo vệ......................................................................................................63
2. Hệ số dự trữ cách điện ......................................................................................65

3. Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp.......................65


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: a) Sơ đồ ngun lý đóng đường dây dài khơng tải vào nguồn điện áp xoay
chiều; ........................................................................................................................... 9
Hình 1. 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx). .............. 10
Hình 1. 3. Biến thiên dịng điện trong khe sét........................................................... 14
Hình 1. 4: Sét đánh vào dây dẫn pha ......................................................................... 18
Hình 1. 5: Sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét ............................................... 19
Hình 1. 6. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220 kV Ninh Bình .................................... 20
Hình 2. 1. Mơ hình trạm biến áp ............................................................... ................ 31
Hình 2. 2. Mơ hình và thơng số nguồn hệ thống ....................................................... 32
Hình 2. 3. Mơ đun một khoảng cột đường dây trên khơng xuất tuyến 274 .............. 34
Hình 2. 4. Mơ hình cột điện ............................................................... ....................... 36
Hình 2. 5. Mơ hình chuỗi sứ ............................................................... ...................... 37
Hình 2. 6. Mơ hình nguồn sét ............................................................... ..................... 37
Hình 2. 7. Mơ hình dây dẫn pha trong trạm biến áp ................................................. 38
Hình 2. 8. Thơng số máy biến áp AT1 và AT2 ......................................................... 39
Hình 2. 9. Mơ hình và thơng số máy biến điện áp áp kiểu tụ ................................... 40
Hình 2. 10. Mơ hình và thơng số chống sét van........................................................ 41
Hình 2. 11. Đặc tính V-A của chống sét van ............................................................ 41
Hình 2. 12. Cài đặt thơng số chương trình ATPDraw .............................................. 42
Hình 3. 1. Điện áp đầu cực máy biến áp khi sét đánh vào đỉnh cột cuối .................. 46
Hình 3. 2. a. Biến thiên của điện áp trên đầu cực AT1 khi dịng điện sét bằng 31
kA ..... 47
Hình 3. 3. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 .......................................... 48
Hình 3. 4. Biến thiên của điện áp xung trên đầu cực AT1 theo điện trở chân cột .... 48
Hình 3. 5. Ảnh hưởng của vị trí sét đánh tới tham số của quá điện áp trên AT1 ..... 49
Hình 3. 6. Ảnh hưởng của máy biến áp kiểu tụ tới quá điện áp sét .......................... 51

Hình 3. 7. Điện áp trên đầu cực thiết bị (TU274, TUC22 và AT1) khi đặt 2 chống sét
van tại đầu vào 2 máy biến áp AT1 và AT2. ............................................................ 61


Hình 4. 1. Cấu tạo chống sét van trên cơ sở SiC....................................................... 55
Hình 4. 2. Đặc tính làm việc của chống sét van ........................................................ 56
Hình 4. 3. Cấu tạo của CSV khơng khe hở ZnO ....................................................... 57
Hình 4. 4. Chống sét van ZnO có khe hở song song điện trở ................................... 58
Hình 4. 5. Chống sét van ZnO có khe hở song song tụ điện ..................................... 58
Hình 4. 6. Đặc tính phi tuyến (V-A) của tấm điện trở ZnO ...................................... 59
Hình 4. 7. Điện áp trên đầu cực các thiết bị điện khi khơng có CSV ....................... 60
Hình 4. 8. Điện áp trên đầu cực thiết bị điện khi đặt 2 chống sét van trên thanh
góp ...... 62
Hình 4. 9. Điện áp trên đầu cực thiết bị khi đặt 6 chống sét van .............................. 62
Hình 4. 10. Hệ số bảo vệ ........................................................................................... 64
Hình 4. 11. Hệ số dự trữ các điện của TU274........................................................... 66
Hình 4. 12. Hệ số dự trữ cách điện của TUC21C ..................................................... 66
Hình 4. 13. Hệ số dự trữ cách điện AT1 ............................................................... .... 66


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
Trạm biến áp trong quá trình vận hành thường xuyên chịu tác động của phóng
điện sét, gây ra quá điện áp đánh thủng cách điện, sự cố ngắn mạch, chạm đất… hậu
quả là làm hư hỏng thiết bị điện và thiết bị điều khiển trong trạm, gián đoạn cung
cấp điện trong thời gian dài, gây mất ổn định hệ thống, mất an toàn cho con người,
gây thiệt hại về kinh tế vv… Do vậy, việc bảo vệ chống sét và phối hợp cách điện
trong trạm biến áp là đặc biệt quan trọng trong thiết kế và vận hành, nhằm loại trừ
hoàn toàn khả năng sét đánh trúng vào thiết bị điện hoặc các phần tử dẫn điện trong
trạm. Mặt khác, phải nghiên cứu quá điện áp khí quyển (quá điện áp sét) và phối

hợp điện áp dư của các thiết bị chống sét với cường độ cách điện của cách điện
trong trạm để đảm bảo rằng mức dự trữ cách điện phải đủ lớn và tần suất phóng
điện trung bình trong trạm biến áp do quá điện áp khí quyển tới 50 năm hay 100
năm [1, 2].
Để thực hiện điều đó, trạm biến áp cần được bảo vệ nhiều “cấp bảo vệ” dựa
trên
cơ sở mức năng lượng[3, 4, 5], bao gồm:
Bảo vệ cấp 1: nhằm loại trừ và hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét và
sóng cắt tác động trực tiếp tới các phần tử của hệ thống điện.
Bảo vệ cấp 2: nhằm hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt. Cấp bảo vệ này
thường ứng dụng để bảo vệ các thiết bị điện trong trạm biến áp và/hoặc lắp đặt các
thiết bị chống quá áp nhằm tiêu tán năng lượng của xung cắt trước khi vào trạm biến
áp.
Bảo vệ cấp 3: nhằm hạn chế ảnh hưởng của quá điện áp cảm ứng do sét đánh
gần trạm biến áp có thể cao tới hàng chục kV, gây nguy hiểm cho cách điện của các
thiết bị điện áp thấp hay các thiết bị điện tử. Bảo vệ ở phía điện áp thấp bằng cách
lắp đặt các bộ lọc và/hoặc thiết bị hạn chế quá áp nối tiếp với hệ thống máy tính, hệ
thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu.
Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình cũng như đại đa số các trạm biến áp cao áp và siêu cao
áp tại Việt Nam, trong q trình thiết kế khơng được nghiên cứu và đánh giá đúng mức
việc bảo vệ chống sét một cách toàn diện, đồng bộ theo các tiêu chuẩn của thế giới như
Tiêu chuẩn IEC, IEEE, ANSI… Hơn nữa, trong quá trình vận hành đặc
9


tính bảo vệ của các thiết bị chống sét và cường độ cách điện của cách điện suy giảm
theo thời gian nên thường xuyên gây ra các sự cố không mong muốn do ảnh hưởng
của quá điện áp sét.
Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất đề
tài “Nghiên cứu quá điện áp khí quyển và phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220

kV Ninh Bình”, nhằm áp dụng các cơng cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để
phân tích và xác định quá điện áp khí quyển nguy hiểm ảnh hưởng tới Trạm biến áp
220 kV Ninh Bình, đồng thời nghiên cứu giải pháp bảo vệ chống quá điện áp khí
quyển; nghiên cứu số lượng, chủng loại, vị trí đặt các thiết bị chống sét và đặc tính
phối hợp bảo vệ chống sét với cường độ cách điện của cách điện trạm biến áp nhằm
giảm được chi phí thiết kế, chi phí vận hành cũng như đảm bảo cho hệ thống điện
làm việc ổn định và tin cậy[6, 7].
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
a) Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu tổng quan về bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và hiện trạng của
Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. Từ đó, tính tốn và phân tích quá điện áp khí
quyển ảnh hưởng tới cách điện của trạm; nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ
và đánh giá phối hợp cách điện giữa thiết bị bảo vệ quá điện áp và cách điện của
trạm.
b) Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu tổng quan về bảo vệ chống sét trong trạm biến áp và hiện trạng
Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình.
- Nghiên cứu, tính tốn và phân tích quá điện áp khí quyển tại các điểm nút
quan trọng trong Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình khi không trang bị bảo vệ thiết bị
bảo vệ quá điện áp.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức bảo vệ quá điện áp tới tham số (độ
lớn, độ dốc đầu sóng) của quá điện áp.
- Phối hợp cách điện và đánh giá hệ số dự trữ cách điện trong trạm biến áp.
3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a) Ý nghĩa khoa học


Nghiên cứu một cách đầy đủ về những nguyên nhân, quy luật biến thiên của
quá điện áp khí quyển; nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức bảo vệ tới quá điện
áp khí quyển và đánh giá độ dự trữ cách điện của trạm biến áp. Kết quả nghiên cứu

làm cơ sở cho việc nghiên cứu, xác định phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển
cho trạm biến áp 220 kV điển hình và mở rộng nghiên cứu cho các trạm biến áp,
đồng thời làm căn cứ khoa học cho việc thiết kế, vận hành và nâng cấp chất lượng
bảo vệ chống sét nhằm dự đốn được các tình huống quá điện áp có thể xảy ra để có
các ứng phó cần thiết. Ngồi ra, kết quả nghiên cứu cịn làm cơ sở cho việc phân
tích và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét và các phương án bảo vệ quá điện áp.
b)Ý nghĩa thực tiễn
- Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP trong việc phân
tích, tính tốn q điện áp khí quyển trong trạm biến áp.
- Xác định được độ lớn và sự biến thiên của quá điện áp khí quyển tại các điểm
nút quan trọng trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình khi khơng trang bị thiết bị
chống
sét.
- Nghiên cứu, đánh giá phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm
biến áp 220 kV Ninh Bình.
- Xây dựng cơ sở khoa học cho việc phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220
kV đảm bảo tiêu chuẩn thiết kế.
- Xây dựng cơ sở khoa học để thiết kế, vận hành và đưa ra các giải pháp bảo vệ
quá điện áp cho trạm biến áp và đánh giá khả năng chịu đựng quá điện áp của cách
điện trong vận hành nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện cũng như đảm bảo
vận hành hệ thống ổn định và tin cậy.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu quá điện áp, bảo vệ quá điện áp khí quyển và phối hợp cách điện
cho Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu
tổng quan về quá điện áp khí quyển; nghiên cứu những ảnh hưởng của quá điện áp
tới trang thiết bị điện cũng như vận hành hệ thống điện; nghiên cứu việc ứng dụng
các kết quả phân tích, tính tốn độ lớn của quá điện áp trong việc phối hợp cách điện
trong trạm biến áp.

5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu bao gồm nghiên cứu về lý thuyết và tính tốn, phân tích
trên đối tượng thực bằng phân mềm ATP-EMTP.
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các cơng trình
nghiên cứu được cơng bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu
hướng dẫn, các bộ tiêu chuẩn IEC, IEEE và bộ tiêu chuẩn Việt Nam thuộc phạm vi
nghiên cứu.
- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tế tại Trạm biến áp 220 kV Ninh
Bình.
- Nội dung chính của đề tài dự kiến có các nội dung chính như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về q điện áp khí quyển.
Chương 2: Mơ phỏng trạm biến áp 220 kV Ninh Bình bằng phần mềm
ATPDraw.
Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới tham số của quá điện áp.
Chương 4: Nghiên cứu phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 và đánh giá độ dự
trữ cách điện.
6. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng phần mềm ATP-EMTP để phân tính, tính tốn đối tượng thực tế.


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
I. GIỚI THIỆU CHUNG.
Quá điện áp (overvoltage) là điện áp giữa dây dẫn pha và đất (pha-đất), giữa
dây dẫn pha với pha (pha-pha) hay dọc theo chiều dài của cách điện, có giá trị đỉnh
lớn hơn biên độ của điện áp pha lớn nhất của hệ thống hay thiết bị điện. Quá điện áp
trong hệ thống điện được phát sinh do các nguyên nhân nội tại như các thao tác
đóng cắt, sự cố, sa thải phụ tải hay do cộng hưởng được gọi chung là quá điện áp
nội bộ; quá điện áp phát sinh do các tác động từ bên ngoài như sét đánh được gọi là
quá điện áp khí quyển hay quá điện áp sét.

Độ lớn của quá điện áp thường lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất cho phép của
mạng lưới điện hay thiết bị điện, do vậy cần phải có các biện pháp hạn chế quá điện
áp và bảo vệ chống lại các nguy cơ làm hư hỏng thiết bị điện hoặc rối loạn s lm
vic bỡnh thng ca h thng in.
Các quá điện áp nội bộ thông thãờng khó nhận biết và phát
hiện. Trong các nhật ký vận hành khi ghi về các nguyên nhân sự
cố thì quá điện áp nội bộ không đãợc nhắc tới trong các nguyên
nhân liệt kê. Nhiều nãớc trên thế giới nhã Nga, Mỹ, Pháp...việc
đo các quá điện áp nói chung và quá điện áp nội bộ nói riêng
đãợc thực hiện bằng các thiết bị có tên là "Thiết bị tự động đo
ghi và phân tích xung quá điện áp. Các thiết bị này đãợc đặt
trên thanh cái các trạm biến áp nhờ đó mà ngãời ta có thể xác
định đãợc
các dao động điện áp, mức độ quá điện áp. Từ đó có những
phãơng thức vận hành và bảo vệ phù hợp để đảm bảo độ tin cậy
cũng nhã an toàn cho việc truyền tải và cung cấp điện.
Nãớc ta các công trình và đề tài nghiên cứu sâu về quá điện
áp còn hạn chế. Cho


đến nay chãa đầu tã các loại thiết bị để đo ghi quá điện áp
khí quyển và quá điện áp nội bộ cũng nhã các phãơng tiện đo
đạc khảo sát, theo dõi, phân loại và thống kê để
đánh giá cụ thể về tỉ lệ sự cố, mức độ thiệt hại do quá điện áp
nội bộ gây ra trong hệ
thống
điện.
Khi thit kế thiết bị điện, mạng lưới điện, trạm biến áp hay nhà máy điện, việc
lựa chọn, phối hợp cách điện phù hợp để vận hành lâu dài là một trong các vấn đề

được quan tâm kỹ lưỡng đặc biệt là trong mạng điện truyền tải. Việc lựa chọn và
phối hợp cách điện phải dựa vào đặc tính của cách điện (chủng loại, cường độ cách
điện), mức độ quá điện áp phát sinh của hệ thống tác động lên cách điện (quá điện
áp nội bộ, quá điện áp sét), đồng thời xem xét tới các vấn đề bảo vệ quá điện áp
(chủng loại, số lượng, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ) và điều kiện mơi trường. Tiêu
chí lựa chọn cách điện theo điện áp phải đảm bảo nguyên tắc là cường độ cách điện
phải lớn hơn các loại quá điện nội bộ, đồng thời chịu được đa số quá điện áp sét
(q điện áp khí quyển), cịn một số ít q điện áp sét có biên độ lớn phải sử dụng
các thiết bị bảo vệ để hạn chế. Mặc dù toàn bộ cách điện đã được lựa chọn, phối
hợp như trên, nhng khi tăng số lần quá điện áp tác động lên cách
điện thì cũng tăng tãơng ứng xác suất
sự cố trên cách điện đó. Hiệu ứng tích luỹ là một trong những
nguyên nhân đánh thủng cách điện. Mặc dù quá điện áp nội bộ
thãờng nhỏ hơn nhiều so với điện áp đánh thủng tần số công
nghiệp nhãng nó là nguyên nhân dẫn đến sự tiến triển các
khuyết tật cục bộ của cách điện. Cùng với sự già hoá cách điện và
tính chất tích luỹ các tác động nhã vậy, dần dần sẽ đánh thủng
cách điện ngay cả khi quá điện áp nội bộ nhỏ hơn nhiều so với
điện áp đánh thñng.
II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1. Quá điện áp tạm thời
Quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage_TOV) là q điện áp ở tần số cơng
nghiệp có thời gian tác động tương đối dài (từ 30 ms tới 3600 s).Quá điện áp tạm
thời là một thông số quan trọng để lựa chọn chống sét van (ngoại trừ quá điện áp
cộng hưởng và cộng hưởng từ).
Quá điện áp tạm thời phát sinh do các nguyên nhân sau:
- Sự cố chạm đất: khi có sự cố pha-đất sẽ gây ra quá điện áp trên các pha
không sự cố (pha lành). Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc vào vị trí sự cố
và phương thức nối đất điểm trung tính của hệ thống điện. Trong hệ thống có trung

tính trực tiếp nối đất thì độ lớn của q điện áp bằng khoảng 1,3 p.u. và thời gian
quá áp (bao gồm cả thời gian giải trừ sự cố) thường nhỏ hơn 1 giây. Trong hệ thống
có trung tính nối đất cộng hưởng (nối đất qua cuộn dập hồ quang) thì độ lớp của quá
áp lớn hơn hoặc bằng 1,73 p.u. và tồn tại trong khoảng thời gian nhỏ hơn 10 giây.


- Sa thải phụ tải: khi cắt phụ tải, quá điện áp sẽ phát sinh, độ lớn của quá áp
phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống sau khi cắt tải và đặc tính của nguồn (ví dụ như
tốc độ hay điều chỉnh điện áp của máy phát ở thời điểm cắt tải).Ngay sau khi cắt tải,
điện áp trên điện cực của máy cắt (phía nối với nguồn) sẽ tăng, mức độ tăng phụ
thuộc vào tải và công suất ngắn mạch của xuất tuyến. Để xác định chính xác độ lớn
của q điện áp thì cần tính tốn dựa trên cơ sở phân tích q trình q độ điện từ
được thực hiện bằng máy tính hoặc ứng dụng chương trình ATP-EMTP. Tuy nhiên,
trong tính tốn thực dụng thì có thể áp dụng như sau:
+ Các đường dây có chiều dài trung bình, nếu cắt tồn bộ tải thì điện áp pha
tăng tới 1,2 p.u. Thời gian quá áp phụ thuộc vào các thiết bị điều chỉnh điện áp trong
mạng và có thể tới vài phút.
+ Các đường dây dài, nếu cắt tồn bộ tải thì điện áp pha có thể tăng tới 1,5 p.u.
Thời gian quá áp tới vài giây.
+ Khi sa thải phụ tải của của máy biến áp tăng áp nối với máy phát thì quá áp
tạm thời tăng tới 1,4 p.u đối với các máy phát tuabin và tới 1,5 p.u đối với các máy
phát thủy điện. Thời gian quá áp khoảng 3 giây.
- Cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ: Trong hệ thống điện khi có sự thay đổi
đột ngột về cấu trúc (như sa thải phụ tải, cắt máy biến áp 1 pha ở cuối đường dây
hay cắt máy biến điện áp kiểu tụ đặt trên thanh góp của trạm biến áp) sẽ có sự tương
tác giữa thành phần điện dung (của đường dây, cáp, tụ điện) và thành phần điện cảm
(của máy biến áp, cuộn kháng song song) gây ra quá điện áp cộng hưởng hoặc cộng
hưởng sắt từ. Độ lớn của quá điện áp này có thể lớn hơn 3,0 p.u. và tồn tại tới khi

nó được giải trừ.
- Đóng đường dây hoặc máy biến áp: Khi đóng đường dây hoặc máy biến
khơng tải hoặc non tải có thể gây ra quá điện áp cộng hưởng. Trường hợp đóng máy
biến áp sẽ xuất hiện dịng điện từ hóa lớn và thành phần hài đáng kể do đặc tính phi
tuyến của lõi thép. Dịng điện tần số cao này sẽ tương tác với tần số của hệ thống
gây ra quá điện áp cộng hưởng tác dụng lên cách điện dọc.


- Hịa đồng bộ:Trong khi hịa đồng bộ có thể gây ra quá điện áp tác dụng lên
cách điện dọc (tiếp điểm của thiết bị đóng cắt). Độ lớn của quá điện áp này thường
bằng khoảng 2 lần điện áp pha và tồn tại trong khoảng vài giây đến vài phút.
2. Quá điện áp quá độ
Quá điện áp quá độ (Transient Overvoltages) tồn tại trong thời gian ngắn vài
mini giây hoặc ngắn hơn, dao động hoặc không dao động và thường gây ra thiệt hại
lớn. Quá điện áp quá độ được chia thành các loại như sau:
- Quá điện áp đầu sóng ít dốc (Slow-Front Overvoltage_SFO): thường phát
sinh do các thao tác đóng cắt (đóng đường dây, cáp, giải trừ sự cố ngắn mạch, sa thải
phụ tải, cắt dòng điện điện dung hoặc dòng điện điện cảm). Quá điện áp là loại một
chiều, với thời gian đầu sóng (thời gian đỉnh) từ 20 s đến 5000 s và thời gian sóng
(thời gian nửa đỉnh) tới 20 ms. SFO phát sinh do các nguyên nhân như sau:
Đóng hay đóng lặp lại đường dây tải điện trên không hoặc đường dây cáp gây
ra quá điện áp trên cả 3 pha. Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc chủ yếu vào
tốc độ cắt và khả năng dập tắt hồ quang của của máy cắt, bội số quá áp thường
khoảng
2 p.u.. Loại quá điện áp này thường được gọi là quá điện áp đóng cắt (Swiching
Overvoltagres).
Sự cố hay giải trừ sự cố gây ra quá điện áp với bội số quá áp thường lớn hơn 2
p.u. và phụ thuộc chủ yếu vào phương thức nối đất của hệ thống điện. Trong trường
hợp chung, bội số quá áp tính bằng (2k-1) p.u., trong đó k là hệ số nối đất.
Sa thải phụ tải tạo ra điện áp cưỡng bức tác dụng lên các phía của tiếp điểm

máy cắt. Quá điện áp loại này thường có giá trị lớn và phải được hạn chế bằng
chống sét
van.
Cắt dòng điện điện cung hoặc dòng điện điện cảm sẽ gây lên quá điện áp tại
vị trí đặt tụ điện, điện kháng cũng như gây quá điện áp tại cuối đường dây và máy
biến áp.
- Quá điện áp đầu sóng dốc(Fast-Front Overvoltage_FFO): quá điện áp đầu
sóng dốc được phát sinh do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn pha của đường dây tải


điện trên khơng; do phóng điện ngược từ xà, cột vào dây dẫn pha hoặc đánh gần
đường


dây hoặc thiết bị điện. FFO là loại điện áp một chiều biên độ lớn, thời gian đỉnh từ
0,1 s đến 20 s và thời gian nửa đỉnh tới 300 s.
- Quá áp đầu sóng rất dốc(Very Fast-Front Overvoltage_VFFO): là loại điện
áp một chiều, thời gian đỉnh tới 0,1 s, có hoặc khơng có dao động ở tần số từ 30
kHz
tới 100 MHz. Loại quá điện áp thường phát sinh trong trạm GIS (Gas Insulated
Substations) do cắt ngắn mạch hay cắt động cơ, máy biến áp hoặc do sét đánh.
III. Q ĐIỆN ÁP DO ĐĨNG ĐƯỜNG DÂY KHƠNG TẢI - HIỆU ỨNG
FERRANTI
Hiệu ứng Ferranti trong hệ thống điện là hiện tượng tăng điện áp ở cuối
đường dây tải điện có chiều dài lớn hoặc trên đường dây cáp so với điện áp tại đầu
đường dây khi đóng đường dây khơng tải (hay non tải) vào nguồn điện hoặc khi sa
thải phụ tải. Hiện tượng do quá trình nạp điện của điện dung đường dây qua điện
kháng của đường dây gây ra[8, 9]. Hiệu ứng Ferrati được quan sát lần đầu tiên vào
năm 1887 do Sebastian Ziani de Ferranti khi nghiên cứu đường dây cáp của mạng
điện phân phối ở cấp điện áp 10 kV.

Khi đóng đường dây truyền tải vào nguồn điện áp uS=Umsint như 
S
US

a)
S R0dx

b)

uS

C0d

L dx

L

R

R0dx

L dx
G0d

R
C0dx

G0

Hình 1. 1: a) Sơ đồ nguyên lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn điện áp xoay chiều;

b) Sơ đồ thay thế hình  của đường dây L.
- Xét vi phân chiều dài đường dây (dx) ta có sơ đồ như hình 1.2:


a)

dx

x
i

R0dx

x+dx
i

L0dx

b)

G0dx

u

i
dx
x

C0dx

x

dx

Hình 1. 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên
không (dx).
b) Sơ đồ thay thế tương đương hình  của vi
phân dx. c

Trong đó: R0, G0, L0, C0 là điện trở, điện dẫn, điện cảm và điện dung phân bố
(trên đơn vị dài).
Từ sơ đồ thay thế tương đương viết hệ phương trình vi phân mô tả mạch như
sau:

 u (x , t )
 R .i(x, t)  L .
i(
x, t )
0

(1.1)

0

x
t

i
(
x

,
t
)

u ( x , t )

 G .u(x, t)  C .
x

0

0

(1.2)

t

Hệ phương trình có thể viết dưới dạng tốn tử Laplace sẽ là:

 U(x, p)  R 0  pL0  .I  x,

x
p

I(x,
p)
 0
  G  pC  .U  x,
0
p


x

(1.1')
(1.2 ')

Nghiệm của hệ phương trình có dạng:
(p)x

(p)x

U(x, p)  A(p).e
 B(p).e
A(p) (p)x
B(p) (p)x
I(x, p) 
.e

.e
ZS (p)
ZS (p)

Điện áp và dòng điện tại cuối đường dây (x=l) có dạng:

 U(, p) 
).e (p) B(p).e (p)

A(p A(p) (p)
B(p) (p)



e
,
p)

e
I(

Z
(p)
Z
(p)
S
S


(1.5)
(1.6)

(1.3)
(1.4)


1

A(p)   U(, p)  I( , p).ZS
2
(p) 

B(p)  1  U( , p)  I( , p).Z

S

2
(p) 

.e
.e

(p)

(p)

o
Thay A(p) và B(p) vào phương trình (1.5) và (1.6) sẽ xác định được quan hệ
giữa điện áp, dòng điện ở đầu đường dây và cuối đường dây như sau:
)  I R .ZS.sinh( )
 US  U R .cosh(
 I  I .cosh(
)  U R .YS .sinh( )
R
 S

Trong đó: Z = R + jL là tổng trở của đường dây trên đơn vị dài;
Y = G + jC là tổng dẫn của đường dây trên đơn vị dài;
l là chiều dài của đường dây;
US, IS là điện áp và dòng điện ở đầu đường dây (đầu phát);
UR, IR là điện áp và dòng điện ở cuối đường dây (đầu nhận);
(R  jL)(G  jC) là hệ số truyền sóng;
  Z.Y


Z

ZS 

YS 

Y



(R  jL)
là tổng trở sóng của đường dây,
(G  jC)

1
;   2f ;
ZS

Chú ý: tại đầu đường dây x=0; U(X) = US và tại cuối đường dây U(l) = UR
Điện áp tại cuối đường dây hở mạch (IR=0) sẽ là:
hay UR0  US
US
U R0 

cosh( )

cosh( )

Như vậy điện áp tại cuối đường dây hở mạch tăng hơn so với đầu đường dây

một lượng:
U  U R  US

Hiện tượng tăng điện áp này được gọi là hiệu ứng Ferranti.
IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT
Sét đánh vào đường dây tải điện trên không (DZK) là nguyên nhân chính gây
ra quá điện áp quá độ trong hệ thống điện. Quá điện áp phát sinh do nguyên nhân
này thường được gọi là quá điện áp sét (Lightning Overvoltages) hay quá điện áp
khí


quyển (Atmospheric overvoltages). Biên độ và độ dốc đầu sóng của điện áp lớn (độ
dốc đầu sóng rất dốc) gây nguy hiểm cho cách điện ngang và cách điện dọc của hệ
thống, có thể gây sự cố ngắn mạch làm gián đoạn cung cấp điện, giảm độ tin cậy và
gây mất ổn định hệ thống. Do đó, khi thiết kế đường dây tải điện, trạm biến áp và
các thiết bị bảo vệ cần nghiên cứu kỹ lưỡng về quá điện áp sét [10, 11].
Quá điện áp sét trên đường dây tải điện là do sét đánh trực tiếp vào đường dây
(sét đánh vào dây chống sét, đỉnh cột hoặc đánh vào dây dẫn pha). Quá điện áp lan
truyền dọc đường dây và có thể gây lên phóng điện trên cách điện đường dây. Đặc
điểm của quá điện áp do sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét gây lên phóng
điện ngược vào dây dẫn pha thường có độ dốc rất lớn. Trong trường hợp vị trí bị sét
đánh xa trạm biến áp thì biên độ cũng như độ dốc đầu sóng suy giảm trong q
trình lan truyền trên đường dây do tổn hao. Nếu vị trí bị sét đánh gần trạm, thì cách
điện trong trạm là nguy hiểm nhất do điện áp truyền vào trong trạm là dạng sóng cắt
có độ dốc thẳng đứng và biên độ lớn. Quá trình lan truyền (phản xạ, khúc xạ) của
quá điện áp tới có thể làm tăng biên độ của quá điện áp do các thiết bị điện và dây
dẫn trong trạm biến áp có tổng trở sóng khác nhau (như trạng thái máy cắt đóng/mở,
máy biến điện áp đo lường, dây dẫn, máy biến áp…)
Đối với trạm biến áp, việc tính toán bảo vệ chống sét thường áp dụng 3 cấp
bảo vệ, bao gồm:

- Bảo vệ cấp 1: hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét trực tiếp vào các
thiết bị và các phần tử của hệ thống điện.Bảo vệ loại này thường sử dụng hệ thống
chống sét bao gồm cột chống sét hoặc dây chống sét.
- Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt tới giới hạn an toàn cho
cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp và nhà máy điện. Bảo vệ loại này
thường sử dụng chống sét van và/hoặc phối hợp với tụ điện, cáp...
- Bảo vệ cấp 3: bảo vệ quá điện áp cảm ứng cho các thiết bị điện áp thấp, điện
tử, hệ thống máy tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu... do sét
đánh gần trạm biến áp.
Mục đích nghiên cứu về quá điện áp sét trên đường dây tải điện là để xác định
suất phóng điện (FOR- Flashover Rate) để lựa chọn chống sét van đường dây, còn


đối với trạm biến áp là để tính tốn tần suất sự cố trung bình (MTBF-Mean Time
Between Failures) nhằm lựa chọn chống sét van (số lượng, chủng loại) và vị trí đặt
tối ưu, đồng thời xác định khoảng cách cách điện tối thiểu pha-đất, pha-pha.
1. Tham số của phóng điện sét
Phóng điện sét là một hiện tượng vật lý, dịng điện sét là một dạng dòng điện
xung xảy ra trong khoảng thời gian ngắn bao gồm một chuỗi phóng điện kế tiếp.
Một dạng sóng dịng điện sét phổ biến có dạng như hình bao gồm phần đầu sóng là
giai đoạn dòng điện sét tăng nhanh từ 0 đến đỉnh trong khoảng thời gian từ vài micro
giây tới khoảng 20 s, tương ứng với thời điểm phóng điện ngược, và phần thân
sóng là
giai đoạn dịng điện giảm dần về khơng trong khoảng thời gian từ vài chục tới vài
trăm micro giây, tương ứng với thời điểm chuyển dịch các điện tích dư về các cực
đối diện.
Tham số của phóng điện sét là một số liệu mang tính ngẫu nhiên, nó phản ánh
các cơ chế hình thành và phóng điện của những trường hợp cụ thể. Nghĩa là, nó phụ
thuộc vào quá trình và qui mơ hình thành đám mây điện, đặc thù vùng khí hậu, cũng
như khả năng tập trung điện tích trái dấu phía mặt đất. Như vậy, tham số của phóng

điện sét chỉ được xác định qua những số liệu thống kê bằng cách đo đạc nhiều năm
trên thực địa và từ đó xây dựng những hàm thống kê để tính tốn một cách gần đúng
nhất.
Tham số của phóng điện sét có ảnh hưởng trực tiếp tới hệ thống điện bao gồm:
- Dạng sóng dịng điện.
- Đỉnh dịng điện sét của phóng điện lần đầu và phóng điện lặp lại.
- Số lần phóng điện trong một đợt sét.
- Độ dốc đầu sóng dịng điện sét.
- Thời gian đầu sóng dịng điện sét.
- Điện tích trong khe phóng điện sét.
- Mật độ sét phóng điện xuống đất.
Mỗi một đợt sét thường xẩy ra một hoặc nhiều lần phóng điện sét xuống đất,
trung bình là 3 lần. Lần phóng điện đầu tiên có độ lớn dịng điện lớn nhất nhưng độ
dốc đầu sóng lại nhỏ hơn các lần phóng điện lặp lại. Khi tính tốn hay nghiên cứu về


quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp thường lấy cường độ dòng
điện sét của lần phóng điện đầu tiên để tính tốn. Nhưng khi tính tốn năng lượng
của dịng điện sét, ví dụ như tính tốn năng lượng hấp thụ trên chống sét van thì lấy
các lần phóng điện lặp lại để tính tốn. Theo kết quả nghiên cứu của nhóm
Berger[12], Anderson và Eriksson[13] thì tham số của các phóng điện âm từ phía
đám mây được
biểu diễn bằng hàm Logarit chuẩn dưới dạng:
2 x
ln

1 
  M

2 




 



1
f (x)


e
2.x

Trong đó:
f(x) là hàm mật độ xác suất.
M là phân bố trung bình của hàm logarit.
 là sai lệch tiêu chuẩn logarit.
x là tham số cần xác định xác suất (I, S, T).
T10/90

t (s)

T30/90
I10
I30

S10
90

S10/ S30/90
I90
I100

I1
Smax

I2

Hình 1. 3. Biến thiên dịng điện trong khe sét

Trên hình 1.3 các thông số được mô tả như sau:
- I1, I2 là đỉnh thứ nhất và thứ 2 của dòng điện sét.
- I10, I30, I90 và I100 là độ lớn của dịng điện sét tính theo phần trăm (10%, 30%,
90% và 100%) của đỉnh thứ nhất (I1).
Ví dụ: I10 = 10%I1; I30 = 30%I1...