Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 KV Sơn La (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HỮU THỨC

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP
KHÍ QUYỂN CHO TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN, 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HỮU THỨC

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP
KHÍ QUYỂN CHO TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Đức Tường

THÁI NGUYÊN, 2020

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hữu Thức
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Tường
Đề tài luận văn: “nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm
biến áp 110kv Sơn La ”.
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã ngành: 8520201
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 10/10/2020 với
các nội dung sau:
- Đã sửa một số lỗi chính tả, lỗi chế bản trong luận văn.
- Đã chỉnh sửa một số nội dung theo ý kiến của Hội đồng bào vệ.
Thái Nguyên, ngày 26 tháng 10 năm 2020
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận văn

TS. Nguyễn Đức Tường

Nguyễn Hữu Thức

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Đỗ Trung Hải
i

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Nguyễn Hữu Thức
Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học
Thái Nguyên.
Nơi công tác: Công ty Điện lực Sơn La
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp
khí quyển cho trạm biến áp 110 kV Sơn La.”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Tôi 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 TS. Nguyễn Đức Tường và
sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại
học Thái Ngun. Mọi thơng tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn
gốc.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 9 năm 2020
Học viên thực hiện

Nguyễn Hữu Thức

ii


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 TS. Nguyễn Đức Tường, 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 quý 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, tơi 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 hồn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 9 năm 2020
Học viên

Nguyễn Hữu Thức

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................iv
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... x
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
I. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2
III. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................. 2
IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 2
V. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 2
VI. Kết cấu của luận văn ........................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DƠNG SÉT VÀ PHƯƠNG THỨC
BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP ........................................ 4

I. Cơ chế hình thành và phát triển dơng sét. ............................................................. 4
II. Q trình hình thành phóng điện sét. ................................................................... 6
1. Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước ................................................................... 6
2. Phóng điện ngược ............................................................................................... 7
III. Tham số của phóng điện sét ảnh hưởng tới hệ thống điện ................................. 9
1. Khoảng cách sét đánh ......................................................................................... 9
2. Dòng điện sét .................................................................................................... 10
3. Độ dốc đầu sóng dịng điện sét ......................................................................... 11
4. Cường độ hoạt động của sét.............................................................................. 11
5. Mật độ sét phóng điện xuống đất ...................................................................... 13
IV. Phương thức bảo vệ chống sét cho trạm biến áp .............................................. 14
1. Phương pháp thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp ..................................... 16
2. Bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp.......................................................... 18
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.......................................................................................... 20
iv


CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA ..................... 21
I. Tổng quan về trạm biến áp 110kV Sơn La .......................................................... 21
1. Vai trò của trạm biến áp 110kV Sơn La ........................................................... 21
2. Thông số máy biến áp ....................................................................................... 22
3. Thông số máy biến áp T2: ................................................................................ 25
II. Hiện trạng của hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 của trạm 110kV Sơn La ......... 27
III. Tình hình sự cố lưới điện tỉnh sơn la và trạm biến áp 110kV Sơn La .............. 28
IV. Khảo sát tình hình dông sét trên địa bàn Tỉnh Sơn La ..................................... 29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.......................................................................................... 30
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH ATPDRAW ................................................................................................ 31
I. Chương trình ATP-EMTP ................................................................................... 31
II. Phân hệ chương trình ATPDraw ........................................................................ 32

1. Phần tử đo lường: .............................................................................................. 32
2. Nh¸nh (Branches) ............................................................................................. 33
3. Đường dây và cáp (Lines/Cables)..................................................................... 34
4. Chuyển mạch (Switches). ................................................................................. 35
5. Nguồn (Sources). .............................................................................................. 36
6. Máy biến áp điện lực (Transformers). .............................................................. 37
III. Mô phỏng Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình ATPDraw .......... 38
1. Giới thiệu .......................................................................................................... 38
2. Mơ hình trạm biến áp 110 kV Sơn La trong chương trình ATPDraw.............. 38
3. Mơ hình các phần tử trong sơ đồ ...................................................................... 40
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................... 53
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ TIN CẬY
CỦA BẢO VỆ CẤP 2 CỦA TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA. ....................... 54
I. Giới thiệu chung về chống sét van ...................................................................... 54
2. Đặc tính phi tuyến của chống sét van. .............................................................. 58
III. Độ dự trữ cách điện ........................................................................................... 60
1. Hệ số bảo vệ ...................................................................................................... 60
v


2. Hệ số dự trữ cách điện ...................................................................................... 62
3. Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp....................... 63
III. Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số dòng điện sét ........................................... 63
1. Ảnh hưởng độ lớn đỉnh xung dòng điện sét. .................................................... 63
2. Ảnh hưởng độ dốc đầu sóng dịng điện sét. ...................................................... 65
IV. Ảnh hưởng phương thức bảo vệ các xuất tuyến ............................................... 66
1. Ảnh hưởng của điện trở chân cột tới quá điện áp ............................................. 67
2. Ảnh hưởng của vị trí sét đánh ........................................................................... 69
V. Ảnh hưởng của số lượng và vị trí chống sét van ............................................... 71
1. Không lắp đặt chống sét van ............................................................................. 71

2. Bổ sung thêm chống sét van ............................................................................. 72
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................ 74
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 84

vi


DANH MỤC VIẾT TẮT
ATPEMTP
BIL
BSL
CĐ
CSV
CWW
FACTS
FOW
IEC
IEEE
LPL
MOCV

SPL
STATCO
M
SVC
TACS
TCSC

TOV

Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients
Program
Chương trình nghiên cứu quá độ điện từ
Basic insulation level- Mức cách điện xung cơ bản
basic surge withstand lever- Cường độ cách điện xung đóng cắt
Cách điện
Chống sét van
chopped wave withstand- Cường độ cách điện đỉnh xung sét
Flexible Alternating Current Transmission System
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
front of wave- Điện áp phóng điện thời gian đầu sóng
International Electrotechnical Commission
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
Institute of Electrical and Electronics EngineersViện kỹ nghệ điện và điện tử
Lightning impulse Protective Level- Mức bảo vệ xung sét
Maximum Fundamental Frequency Continuous Operating Voltage
Applied to Arrester
Điện áp làm việc liên tục lớn nhất ở tần số 50Hz đặt lên chống sét
switching surge protective (sparkover) level- Mức bảo vệ xung đóng
cắt
Static Synchronous Compensator- Tụ bù đồng bộ kiểu tĩn
Static VAR compensator
Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh
Transients Analysis Control System- hệ thống kiểm soát phân tích
quá độ
Thyristor Controlled Series Capacitor
tụ điện được nối song song với một điện cảm
điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor
Temporary fundamental frequency overvoltages to which the

arrester may be exposed-Điện áp quá áp tạm thời ở tần số 50Hz mà
chống sét có thể phải chịu đựng

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Q trình hình thành đám mây dơng .......................................................... 4
Hình 1. 2. Sự phân bố điện tích trong đám mây ......................................................... 5
Hình 1. 3. Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất ................................ 7
Hình 1. 4. Quá trình hình thành của sét được ghi lại bằng camera tốc độ cao ........... 8
Hình 1. 5. Phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp ............................ 18
Hình 2. 1. Sơ đồ nguyên lý 1 sợi trạm biến áp 110 kV Sơn La ................................ 21
Hình 2. 2.Tần suất xuất hiện sét theo tháng ............................................................. 29
Hình 2. 2.Tần suất xuất hiện sét theo giờ trong ngày .............................................. 29
Hình 3. 1. Mơ hình trạm biến áp 110 kV Sơn La trong chương trình ATPDraw ..... 40
Hình 3. 2. Mơ hình và thơng số nguồn hệ thống ....................................................... 40
Hình 3. 3. Mơ hình 1 khoảng cột của xuất tuyến 172/173 ........................................ 42
Hình 3. 4. Mơ hình cột điện ...................................................................................... 44
Hình 3. 5. Mơ hình và thơng số chuỗi cách điện ...................................................... 46
Hình 3. 6. Mơ hình và thơng số nguồn sét ................................................................ 46
Hình 3. 7. Mơ hình và thơng số dây dẫn trong trạm ................................................. 47
Hình 3. 8. Mơ hình và thơng số máy biến áp kiểu tụ ................................................ 48
Hình 3. 9. Đặc tính V-A của chống sét van .............................................................. 50
Hình 3. 10. Cài đặt thơng số chương trình ATPDraw .............................................. 50

Hình 4. 1. Cấu tạo chống sét van trên cơ sở SiC.......................................................55
Hình 4. 2. Đặc tính làm việc của chống sét van ........................................................55
Hình 4. 3. Cấu tạo của CSV khơng khe hở ZnO .......................................................56
Hình 4. 4. Chống sét van ZnO có khe hở song song điện trở ...................................57

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. Hệ số dự trữ các điện................................................................................62
viii


Hình 4. 8. Điện áp 3 pha trên đầu cực máy biến áp T1 .............................................64
Hình 4. 9. a) Điện áp pha A trên đầu cực T1 theo độ lớn của đỉnh xung sét. ...........64
Hình 4. 10. Điện áp trên đầu cực T1 phụ thuộc độ dốc đầu sóng dịng điện ............66
Hình 4. 11. Sự phụ thuộc điện áp trên đầu cực T1 vào điện trở nối đất chân cột .....67
Hình 4. 12. Điện áp trên đầu cực máy biến điện áp đo lường đường dây ................67
Hình 4. 13.. Điện áp trên đầu cực máy biến áp T1 ...................................................69
Hình 4. 14. Điện áp trên đầu cực T1 và các TU........................................................69
Hình 4. 15. Điện áp trên đầu cực T1, TU173 và TUC11 ..........................................71
Hình 4. 16. Điện áp trên đầu cực TU171, TU173, TU174 và TU176 ......................72

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1: Giá trị trung bình của đỉnh I và S. ........................................................... 10
Bảng 1. 2: Cường độ hoạt động của dông sét tại các khu vực trong cả nước ........... 13
Bảng 1. 3: Tổng hợp các nghiên cứu về mật độ phóng điện sét xuống đất .............. 14
Bảng 2. 1. Đặc tính kỹ thuật của máy biến áp T1 ..................................................... 23
Bảng 2. 2. Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1 ..................................... 24
Bảng 2. 3. Đặc tính kỹ thuật của máy biến áp T2 ..................................................... 25
Bảng 2. 4. Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1 ..................................... 26
Bảng 3. 1. Khả năng mô phỏng của ATPDraw ......................................................... 32
Bảng 3. 2. Nhánh tuyến tính đơn .............................................................................. 33
Bảng 3. 3. Nhánh phi tuyến ....................................................................................... 33

Bảng 3. 4. Các mô đun thông số tập trung ................................................................ 34
Bảng 3. 5. Các mô đun không phụ thuộc tần số........................................................ 34
Bảng 3. 6. Đường dây LCC....................................................................................... 35
Bảng 3. 7. Chuyển mạch ........................................................................................... 35
Bảng 3. 8. Nguồn dòng điện và điện áp .................................................................... 36
Bảng 3. 9. Máy biến áp ............................................................................................. 37
Bảng 3. 10. Các dạng nguồn và nhánh khác ............................................................. 38
Bảng 3. 11. Thông số xuất tuyến 172/173 trong LCC .............................................. 43
Bảng 3. 12. Thông số cột điện................................................................................... 45
Bảng 3. 13. Thông số máy biến áp. ........................................................................... 48
Bảng 3. 14. Thông số chống sét van ......................................................................... 49
Bảng 3. 15. Thông số chống sét van pha .................................................................. 49
Bảng 3. 16. Thơng số chống sét van trung tính......................................................... 49

Bảng 4. 1. Quy đổi cường độ các điện xung kích cơ bản (BIL) ...............................61
Bảng 4. 2. Điện áp chịu đựng tính tốn của máy biến áp và TU ..............................63
x


Bảng 4. 3. Xác suất xuất hiện dòng điện sét lớn hơn hoặc bằng I (kA)....................63
Bảng 4. 4. Sự phụ thuộc đỉnh xung điện áp vào độ dốc đầu sóng dòng điện sét. .....66
Bảng 4. 5. Đánh giá độ dự trữ cách điện cho các thiết bị điện trong TBA ...............68
Bảng 4. 6. Độ dự trữ cách điện cho các thiết bị điện trong TBA ..............................70
Bảng 4. 7. Độ dự trữ cách điện khi lắp đặt thêm 04 chống sét van ..........................73

xi


PHẦN MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài

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 vv…
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 [1, 2, 3] vv… Do vậy việc bảo vệ quá điện áp khí quyển cho
trạm biến áp (bảo vệ chống sét cấp 2) là đặc biệt quan trọng trong thiết kế và vận
hành, nhằm hạn chế tối đa quá điện áp nguy hiểm xuất hiện trong trạm biến áp. Bảo
vệ chống sét cấp 2 nhằm hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt [4, 5]. 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. Phương thức bảo
vệ phải đảm bảo rằng độ lớn và độ dốc đầu sóng của quá điện áp tác dụng lên cách
điện của trạm biến áp phải đủ nhỏ (mức dự trữ cách điện đủ lớn) sao cho tần suất
phóng điện trung bình trong trạm biến áp do quá điện áp khí quyển đạt tới 50 năm
hay 100 năm [5, 6, 7].
Theo thống kê, năm 2011, có 145 sự cố đường dây thì có 100 sự cố do sét, chiếm
tỉ lệ 69%; năm 2012, có 119 sự cố do sét/173 sự cố, chiếm 68%; năm 2013, 77 sự cố
do sét/149 sự cố, chiếm 52%; năm 2014, 127 sự cố do sét/167 sự cố, chiếm 77%; năm
2015, 72 sự cố do sét/168 sự cố, chiếm 43% và 6 tháng đầu năm 2016 có 58 sự cố do
sét/84 sự cố, chiếm 69% . Trong đó, phần lớn sự cố do sét xảy ra trên địa bàn do Công
ty Truyền tải điện 1 quản lý (từ tỉnh Hà Tĩnh trở ra Bắc): Năm 2011 chiếm 71%; năm
2012 chiếm 67%; năm 2013 chiếm 69%; năm 2014 chiếm 61%; năm 2014 chiếm
69% và 6 tháng đầu năm 2016 là 72%. Các sự cố có nguyên nhân do sét thường tập
trung từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm [8]. Mặt khác, Sơn La nằm trong vùng miền
núi phía Tây Bắc Việt Nam có mật độ sét lớn, điện trở suất của đất tương đối cao.
Hơn nữa do thiếu dữ liệu về sét đã dẫn đến các tính tốn thiết kế bảo vệ chống sét cho
đường dây và trạm biến áp chưa đạt yêu cầu, việc phân tích ngun nhân sự cố gặp
khó khăn do khơng xác định được các nguyên nhân, vị trí sét đánh nên giải pháp bảo
vệ chưa phù hợp và chưa hiệu quả [8].
1

Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất đề
tài “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 kV
Sơn La”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để phân
tích và đánh giá chất lượng bảo vệ của phương thức bảo vệ hiện tại. Trên cơ sở đó đề
xuất phương thức cải tiến hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 trên cơ sở phối hợp giữa
nhiều giải pháp đồng bộ cho trạm biến áp, đảm bảo cho trạm biến áp làm việc ổn
định, tin cậy [9, 10] và đạt tiêu chuẩn quốc tế.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn
La.
III. Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu và đánh giá hiện trạng hệ thống
bảo vệ chống sét cấp 2 tại Trạm biến áp 110kV Sơn La bằng phương pháp hiện đại
và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế IEC, IEEE. Nghiên cứu một cách toàn diện các yếu tố
ảnh hưởng tới độ tin cậy của hệ thống bảo vệ chống sét như: tham số của các phóng
điện sét; tình hình bảo vệ đoạn đường dây gần trạm như góc bảo vệ, hệ thống nối đất
chân cột; vị trí, số lượng và chất lượng của chống sét van; sơ đồ tự bảo vệ và cáp.
Đặc biệt, quá trình tính tốn và phân tích được thực hiện bằng chương trình ATPEMTP (Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients Program)
nghiên cứu quá độ xoay chiều và quá độ điện từ.
IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu hiện trạng bảo vệ chống sét cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn
La. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của bảo vệ bằng chương trình ATPEMTP, từ đó nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ theo tiêu chuẩn chuẩn quốc tế.
V. Phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu bao gồm nội dung 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 công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu

2

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 110kV Sơn La.
VI. Kết cấu của luận văn
Chương 1: Tổng quan về tình hình dơng sét và phương thức bảo vệ chống sét
cấp 2 cho trạm biến áp
Chương 2: Hiện trạng Trạm biến áp 110 kV Sơn La
Chương 3: Mô phỏng Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình
ATPDraw
Chương 4: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy của bảo vệ cấp 2 của
Trạm biến áp 110 kV Sơn La

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DƠNG SÉT VÀ PHƯƠNG
THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP
I. Cơ chế hình thành và phát triển dơng sét.
Q trình hình thành các đám mây điện và phóng điện sột ó c nghiờn cu
t nm 1730-1752 bi Thomas-Franỗois Dalibard (Pháp) và Benjamin Franklin (Mỹ).
Tuy nhiên, hiện tượng tự nhiên phức tạp và mang tính ngẫu nhiên này đến nay là vấn
đề khó khăn đối với các nhà khoa học.
Cơ chế hình thành đám mây dơng và đám mây điện là do bề mặt trái đất và lớp
khí quyển gần mặt đất bị hâm nóng thường xuyên bởi năng lượng của ánh sáng mặt
trời, gia tăng quá trình bốc hơi nước trên bề mặt và mất ổn định khơng khí. Sự hấp
thụ nhiệt của khơng khí một phần từ năng lượng bức xạ trực tiếp của ánh sáng mặt
trời và một phần lớn phản xạ từ phía mặt đất. Điều này có thể lý giải tại sao các cơn
dơng bão xảy ra ở lục địa (khoảng 80%) nhiều hơn đại dương (20%). Các đám mây

này thường được hình thành ở độ cao trên 1 km so với mặt đất và ở nhiệt độ gần 0oC
khi các hạt nước bắt đầu đóng băng. Tuy nhiên, các đám mây này chưa được tích điện
đến mức có thể tạo ra các phóng điện sét.

Hình 1. 1. Q trình hình thành đám mây dơng

4


Những cơn dơng được hình thành từ sự mất ổn định trong một khoảng thời gian
ngắn của những vùng không khí nóng ẩm và vùng khơng khí lạnh chuyển động đối
lưu do có sự chênh lệch mạnh về nhiệt độ. Trong q trình chuyển động đối lưu, dịng
khơng khí lạnh có xu hướng đi xuống và dịng khơng khí nóng ẩm có xu hướng bị
đẩy lên trên tạo thành cột hay tháp như Hình 1. 1. Trong quá trình chuyển động dịng
khơng khí nóng liên tục giải phóng lượng (dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi) làm cho nó
càng bị đẩy lên phía trên và làm tăng thêm sự mất ổn định.
Tháp mây có kích thước khá lớn với độ cao trung bình từ 3 km tới 10 km và có
một số ít trường hợp tới 20 km tính từ mặt đất, đường kính tới 4 km, nhiệt độ từ 0oC
tới -40oC, tốc độ di chuyển ở phía dưới khoảng từ 5 đến 10 m/giây và trên đỉnh đạt
khoảng 30 m/giây [11]. Vùng hoạt động của cơn bão kéo dài tới hàng trăm kilometre.
Năng lượng tích lũy trong các đám mây dơng chủ yếu là nhiệt ẩn hóa hơi. Trong một
trường hợp điển hình, người ta đo được năng lượng của cơn bão vào khoảng 100
kWh, tương đương với một vụ nổ 20 kiloton nguyên tử. Tuy nhiên, mức năng lượng
còn tùy thuộc vào quy mô của cơn bão và năng lượng tích lũy trước đó, có thể lớn
hơn 10 đến 100 lần số liệu trên.

Hình 1. 2. Sự phân bố điện tích trong đám mây
Các điện tử tự do, các ion âm và dương ln tồn tại sẵn có trong khơng khí, do
có sự ion hóa liên tục bởi các tia vũ trụ, bức xạ nhiệt của tia mặt trời, do va chạm v.v..
Hơn nữa, trong quá trình chuyển động đối lưu mạnh và sự phân ly của các hạt nước

lớn siêu lạnh và các tinh thể băng do va chạm thành các hạt nước nhỏ, quá trình đứt

5


gãy liên kết như vậy sẽ sản sinh ra nhiều các điện tử dư và các ion dương hơn trong
đám mây hơn. Các điện tích âm được tích lũy trong các hạt tuyết (graupel - hạt nước
bị đông lạnh và liên kết với tinh thể băng) có xu hướng phân bố trong vùng có nhiệt
độ khoảng từ -5 oC đến -15 oC. Cịn các ion dương có xu hướng tích lũy trong các
tinh thể băng nhỏ ở phía trên (đa phần) và phía dưới (một phần nhỏ) của tháp mây
dơng, trong vùng có nhiệt độ tương ứng khoảng -15 oC đến -40 oC và -5 oC. Sự hình
thành như vậy được gọi là đám mây điện (Hình 1. 2), và sự tập trung các điện tích
trái dấu hình các đám mây dông phân cực với cường độ điện trường cao, khoảng 400
kV/m. Những nghiên cứu và giải thích cấu trúc của đám mây điện được cho là những
đám mây có kích thước lớn hơn và nặng hơn có xu hướng tích điện âm, nên thường
phân bố ở vùng giữa và phía dưới của đám mây dơng. Ngược lại, các thành phần nhỏ
và nhẹ hơn tích lũy điện tích dương bị đẩy lên trên và một phần nhỏ bị đẩy xuống
phía dưới. Cơ chế phân bố này cũng phù hợp với các thực nghiệm trong phịng thí
nghiệm của G.C. Simpson và Scrase F.J. [12].
Sự tích lũy các điện tử và điện tích dương của đám mây sẽ kéo theo sự tập trung
các điện tích trái dấu phía dưới mặt đất với mật độ lớn. Khi cường độ điện trường đạt
tới khoảng từ 1000 kV/m đến 3000 kV/m [13] sẽ xảy ra phóng điện giữa các vùng
tích điện trái dấu trong nội bộ đám mây điện, các đám mây điện khác dấu hoặc đám
mây điện với mặt đất.
II. Quá trình hình thành phóng điện sét.
Phóng điện sét có thể xẩy ra giữa các đám mây điện khác dấu với nhau, các đám
mây điện với cấu trúc cao hay các phóng điện phát triển về phía mặt đất thường được
gọi là sét (lightning). Phóng điện sét xuống đất có thể là phóng điện âm có thể là
phóng điện dương. Mỗi đợt phóng điện sét hoàn thành được phân chia thành nhiều
giai đoạn phát triển phóng điện, thơng thường từ 3-5 giai đoạn.

1. Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước
Trong giai đoạn đầu của phóng điện sét được gọi là phóng điện tiên đạo bước
(Stepped leader) thường được hình thành qua 2 bước. Trước tiên, sự tập trung các
điện tích đủ lớn để gây ion hóa mạnh lớp khơng khí xung quanh trung tâm điện tích
đám mây, sau đó phát triển thành tiên đạo bước (Hình 1. 3a). Phía đầu tia tiên đạo
được nối với các trung tâm điện tích của đám mây, điện dẫn của dịng tiên đạo rất lớn
vì vậy điện trường phía đầu tia tiên đạo bằng với điện trường của đám mây. Điện thế
6


đầu tia tiên đạo khoảng 50 000 kV, dòng điện tiên đạo tương đối nhỏ khoảng 100 A
[14], tốc độ từ 105–2.106 m/giây [15, 16]. Dịng phóng điện là dịng Plasma tiếp tục
phát triển nhanh và hướng về phía mặt đất (Hình 1. 3b), khi khoảng cách giữa đầu tia
tiên đạo cách mặt đất khoảng vài trăm mét, cường độ điện trường giữa đầu tia tiên
đạo và mặt đất tăng mạnh gây ion hóa khơng khí mạnh mẽ, hình thành dịng phóng
điện từ phía mặt đất lên phía đám mây.
2. Phóng điện ngược
Giai đoạn thứ hai của q trình hình thành phóng điện sét là phóng điện ngược.
Khi tia tiên đạo gây ion hóa mạnh khoảng khơng khí gần mặt đất sẽ xuất hiện dịng
điện phóng điện ngược từ phía mặt đất lên đám mây (Hình 1. 3c, d). Dịng phóng điện
ngược có giá trị trung bình là 24 kA [17]. Vận tốc của phóng điện ngược bằng khoảng
0,1 lần tốc độ ánh sáng (khoảng 3.107 m/giây), phụ thuộc vào điều kiện khí hậu.
Phóng điện sét kết thúc khi dịng plasma nối liền giữa đám mây điện với đất tạo thành
kênh sét. Trong giai đoạn này đa số các điện tích âm của đám mây chuyển động về
phía mặt đất và ngược lại các điện tích dương chuyển động từ phía mặt đất lên đám
mây theo xu hướng trung hịa về điện tích, tạo lên dịng điện sét tại nơi bị sét đánh.
Lượng điện tích từ đám mây theo kênh sét đi vào trong đất bằng với lượng điện tích
trái dấu chuyển động về phía đám mây.

Phóng

điện
ngược

Q trình
kết nối

a)

b)

c)

d)

Phóng
điện lặp
lại

Tiên đạo
mũi nhọn

f)

e)

g)

h)

Hình 1. 3. Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất

7


Phóng điện sét là loại phóng điện tia lửa khơng liên tục và có thời gian dừng
giữa các giai đoạn phóng điện. Trong một đợt sét có thể xuất hiện nhiều lần phóng
điện kế tiếp hay được gọi là phóng điện lặp lại (Hình 1. 3f, g, h) phát triển trên cùng
kênh sét ban đầu. Theo Wagner thì có tới 55% số lần phóng điện sét có phóng điện
lặp lại, tốc độ lan truyền của tia tiên đạo lặp lại bằng từ 1% tới 3% tốc độ ánh sáng
và thường được gọi là tiên đạo mũi nhọn (dart leader). Tiên đạo mũi nhọn phát triển
sau tia tiên đạo ban đầu một khoảng thời gian từ 0,01 giây tới 0,1 giây. Khi tiên đạo
mũi nhọn phát triển gần tới mặt đất sẽ có dịng phóng điện ngược phát triển từ dưới
mặt đất lên. Dòng điện này thường chỉ bằng 40% dòng sét ban đầu.
Theo thống kê thì dịng điện sét biến thiên trong một phạm vi khá rộng từ khoảng
2 kA tới trên 270 kA. Nhiệt độ lớn nhất trong kênh sét đạt tới 30.000 oC, gấp 5 lần
nhiệt độ của bề mặt mặt trời. Áp suất khoảng 1.000 kPa. Tốc độ của phát triển khoảng
từ 5.107 tới 2.108 m/giây. Có tới 75 % các phóng điện xẩy ra trong nội bộ đám mây
và giữa các đám mây điện. Khoảng 85 tới 95 % các lần phóng điện xuống đất đám
mây mang điện tích âm [18, 19]. Chiều dài kênh sét trung bình khoảng từ 5 km đến
6 km [20].
Trên Hình 1. 4 là hình ảnh được quan sát một phóng điện sét bằng máy ghi hình
tốc độ cao [21].
Đám mây
điện

Tia tiên
đạo bước

Mặt đất

Tiên đạo

mũi nhọn

Tiên đạo mũi
nhọn

Phóng điện
ngược

Phóng điện
ngược

Dịng điện do
phía mặt đất

Thời gian

Hình 1. 4. Q trình hình thành của sét được ghi lại bằng camera tốc độ cao
8


III. Tham số của phóng điện sét ảnh hưởng tới hệ thống điện
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 q 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 toán một cách gần đúng
nhất.
1. Khoảng cách sét đánh
Khi tia tiên đạo sét phát triển về phía mặt đất tới một độ cao nhất định (thường

gọi là điểm định hướng), tia tiên đạo sẽ hướng tới điểm tập trung các điện tích trái
dấu phía mặt đất (điểm bị sét đánh). Khoảng cách giữa “điểm định hướng” tới điểm
bị sét đánh được gọi là khoảng cách sét đánh (Striking distance) và được ký hiện là
“S”. Q trình phóng điện nối liền giữa tia tiên đạo sét và điểm tập trung các điện tích
phía mặt đất là q trình xẩy ra phức tạp của phóng điện sét. Các nghiên cứu cho kết
quả rất khác nhau về quá trình này. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu đều chỉ ra rằng
khoảng cách sét đánh (S) phụ thuộc vào độ lớn dòng điện trong khe sét (IS). Hiện nay,
trong tính tốn bảo vệ chống sét cho cơng trình điện có thể sử dụng một trong các
cơng thức sau để tính tốn:
- Theo Wagner [22]:
S  6,7.IS0,8

(1.1)

- Theo Whitehead [23]:
S  9, 4.IS2/3

(1.2)

- Theo Suzuki [24]:
S  3,3.IS0,78

(1.3)

- Theo Love [25]:
S  10.IS0,65

(1.4)

- Theo tiêu chuẩn IEEE 998-2012 [26]:

S  8.IS0,65

(1.5)
9


Các nghiên cứu của Eriksson từ những năm 1980 cho thấy khoảng cách sét đánh
không những phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện trong khe sét mà còn phụ thuộc vào
độ cao và kết cấu của cấu trúc phía dưới mặt đất. Những kết quả nghiên cứu này cũng
được CIRGE xác định lại và đề xuất sử dụng trong tính tốn bảo vệ chống sét. Khoảng
cách sét đánh được xác định như sau [27, 28]:
- Đối với cột chống sét:
S  0,84.IS0,74 .H 0,6

(1.6)

- Đối với dây chống sét:
S  0,67.IS0,74 .H 0,6

(1.7)

2. Dòng điện sét
Từ những năm 1950, nhóm nghiên cứu của AIEE phân tích mối quan hệ giữa
từ trường với đỉnh dịng điện sét cho các phóng điện sét có cực tính âm và xác định
được giá trị trung bình của đỉnh dịng điện sét là 15 kA. Sau những những năm 1950
các nhà nghiên cứu khác như J. G. Anderson, Popolansky, Eriksson và nhóm của
IEEE và CIRGE đưa ra những số liệu về trị số trung bình tương đối khác so với kết
quả nghiên cứu trước đây. Trong Bảng 1. 1 cho kết quả của một số nghiên cứu quan
trọng về đỉnh dòng điện sét trung bình và độ dốc đầu sóng dịng điện sét trung bình
trên các đối tượng nghiên cứu khác nhau.

Bảng 1. 1: Giá trị trung bình của đỉnh I và S.
Đối tượng

Đỉnh

Độ dốc

nghiên cứu

dòng điện (kA)

(kA/s)

AIEE

Đường dây

15

4

Popolansky

Tổng hợp

25

5,5

Tổng hợp (<60m)

31

-

Tổng hợp

24

-

34

24,3

12,3

39,9

Tác giả/tiêu chuẩn

Anderson, Eriksson
và IEEE
Mousa

Tiên đạo âm, lần
CIRGE

phóng đầu tiên
Lặp lại âm

10


Phân bố dịng điện sét âm với lần phóng điện đầu tiên được Anderson [29] và
IEEE [26] phát triển những nghiên cứu của Popolansky ứng với dịng điện sét trung
bình khi sét đánh vào dây chống sét, dây dẫn, kết cấu kim loại và phần kim loại nối
đất là 31 kA. Khi đó, xác suất xuất hiện dịng điện sét có giá trị đỉnh lớn hơn giá trị
nào đó được biểu diễn dưới dạng:
P(I  IS ) 

Trong đó:

100
(%)
IS 2,6
1 ( )
31

(1.8)

P(IIS) là xác suất xuất hiện những lần sét có giá trị đỉnh dịng

điện lớn hơn hoặc bằng IS.
IS là đỉnh dịng điện sét (kA).
3. Độ dốc đầu sóng dịng điện sét
Phân bố độ dốc đầu sóng theo dữ liệu của Berger [30]:
P(S  SS ) 

100

S
1  ( S )4
24

(%)

(1.9)

Trong đó:
- P(SSS) là xác suất xuất hiện độ dốc đầu sóng dịng điện sét lớn hơn hoặc bằng
SS.
- SS là độ dốc dịng điện sét xác định (kA/µs).
4. Cường độ hoạt động của sét
Cường độ hoạt động của sét (Keraunic Level, Isokeraunic Level) được định
nghĩa là số ngày (hoặc giờ) dơng sét trung bình trong một năm ở một khu vực xác
định, thường được ký hiệu là Td. Một ngày sét (24 giờ) được hiểu là trong vòng một
ngày có tối thiểu một lần dơng sét. Có nghĩa rằng, trong khoảng 24 giờ có thể có
nhiều lần dơng sét xẩy ra trong một khu vực nhất định.
Nếu cường độ hoạt động của dơng sét tính theo giờ thì được gọi là số giờ dông
sét (Hourly Keraunic Level) là trong thời gian 1 giờ có ít nhất một lần xẩy ra dông
sét trong một khu vực nhất định.
Tại Việt Nam, để phục vụ cho công tác nghiên cứu dông sét và định vị sét, Viện
Vật lý Địa cầu đã lắp đặt mạng lưới máy định vị sét tại một số địa phương. Nguyên
11


lý hoạt động của máy định vị là sử dụng các anten thu sóng điện từ do tia sét phát ra.
Tỷ lệ giữa hai đỉnh của xung điện và thời gian giữa các đỉnh được sử dụng để phân
biệt phóng điện trong đám mây với phóng điện xuống mặt đất. Trong khi lắp đặt, các
nhà khoa học Viện Vật lý Địa cầu đã lựa chọn những vị trí đảm bảo để thiết bị hoạt

động tốt nhất. Từ đầu năm 2003, mạng lưới máy định vị sét gồm các trạm Thái
Nguyên, Phú Thụy và Nghĩa Đô (Hà Nội), Mộc Châu (Sơn La), Phú Yên, Bình
Thuận, Bạc Liêu đã được đưa vào hoạt động. Với khả năng định vị bán kính đến 400
km, mạng lưới này đã bao phủ toàn bộ lãnh thổ Việt Nam [31].
Theo kết quả nghiên cứu của Viện Năng lượng [32], cường độ hoạt động của
dông sét trong một năm trên miền bắc nước ta thường dao động trong khoảng từ 70
đến 110 ngày và số lần dông từ 150 đến 300 lần/năm. Vùng dông nhiều nhất trên
miền Bắc là vùng Tiên Yên, Móng Cái; tại đây hàng năm có từ 100 đến 110 ngày,
tháng nhiều dơng nhất là các tháng 7, 8 có tới 25 ngày/ tháng. Một số vùng khác có
địa hình chuyển tiếp giữa đồng bằng số lần dông trong một năm cũng nhiều tới 200
lần với số ngày dông khoảng trên 100 ngày, các vùng cịn lại từ 150 đến 200 cơn dơng
mỗi năm, tập trung khoảng 90 đến 100 ngày trong năm.
Nơi ít dơng nhất là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày dông. Xét về
diễn biến của mùa dông trong năm cho thấy mùa dơng khơng hồn tồn đồng nhất
giữa các vùng. Nói chung ở Bắc Bộ mùa mưa bão tập chung khoảng từ tháng 5 đến
tháng 9. Ở phía tây Bắc Bộ mùa dông tập trung trong khoảng từ đầu tháng 4 đến tháng
8. Ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ tháng 5, tháng 9 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình.
Vùng dun hải trung bộ ở phần phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương đối
nhiều dông trong tháng 4 và từ tháng 5 đến tháng 8. Số ngày dông tập trung xấp xỉ
10 ngày/tháng. Tháng nhiều dông nhất (tháng 5 ) quan sát được 12 đến 15 ngày.
Những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) mỗi tháng chỉ gặp từ 2
đến 5 lần dông. Phía nam Dun Hải trung bộ (từ Bình định trở vào) là khu vực ít
dơng nhất thường chỉ có tháng 5 số ngày dông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (Tuy
Hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày) cịn các tháng khác của mùa
đơng mỗi tháng chỉ quan sát được từ 5 đến 7 ngày dông.

12