Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh v HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

TÓM TẮT
Để bảo vệ sét đánh lan truyền vào trạm biến áp phân phối, phía cao thế của trạm
thường sử dụng chống sét van. Trong lắp đặt thiết bị chống sét van, khoảng cách giữa
thiết bị chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng. Nếu
chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp thì máy biến áp được bảo vệ an toàn nhất,
nhưng chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong
trường hợp tổng quát giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng
cách phân cách. Vì vậy, việc xác định khoảng cách phân cách hợp lý nhằm bảo vệ hiệu
quả máy biến áp và các thiết bị đóng cắt trong trạm là rất cần thiết.
Luận văn này đã đề xuất:
- Phương pháp mới để tính khoảng phân cách giữa chống sét van và máy
biến áp ở các trạm có cấu hình khác nhau (như trạm có một máy và trạm có hai máy
biến áp) dựa trên đánh giá rủi ro hư hỏng tại các vị trí quan trọng trong trạm kết hợp
với kỹ thuật logic mờ bằng nhiều tiêu chí ( tiêu chí rủi ro trung bình chung thấp nhất và
tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép). Các đặc tính ngẫu nhiên như độ dốc đầu sóng và
biên độ đỉnh sóng của xung sét được sử dụng để tính toán rủi hư hỏng của mạng điện.
- Chương trình FUPOSA được xây dựng giúp người sử dụng dễ dàng xác
định vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van với các cấu hình trạm điện có sẵn.
Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ giúp cho các công ty tư vấn thiết kế điện,
các công ty điện lực xác định vị trí lắp đặt chống sét van hợp lý khi thiết kế trạm biến
áp mới dựa trên đánh giá rủi ro hư hỏng của thiết bị khi có xem xét đến mật độ sét khu
vực và các yếu tố ảnh hưởng.

Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh vi HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

ABSTRACT
To protect the distribution substation from lightning overvoltage, arresters are
installed at the high voltage side of transformers. In installation of surge arresters, the
separation length between the arresters and the high voltage terminals of transformers
is very importance. If the lightning arrester is installed at the terminals of transformers,
the transformer will be protected safety. However, lightning arresters must to protect
for all insulation of the substation’s components, so that, in general cases between
lightning arrester and the terminals transformer are needed a separation distance. Thus,
the determination of a reasonable distance between the lightning arresters and
terminals of transformer to protect efficiency the transformer and switching devices of
the substation is very necessary.
The thesis has presented:
- A new menthode to dertermine separated distances between arresters and
transformers with various configurations of substations (such as a substation with one
or two transformers) base on estimating the risk of failure at important positions in
subtation and using fuzzy logic. Random characterictis of lighting impulses such as the
peak value of the return stroke current and the slope of the wave front are considered to
canculate the risk of failure.
- The FUPOSA program is developed to help the users easily determine
the appropriate installed position of lightning arrester with existing configurations.

The research results of the thesis will help the electrical consultancy and design
companies, the power company determine the appropriate installed position of
lightning arrester when installing a new substation base on evaluating the risk of failure
that incluses traffic density in areas and other effects .
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh vii HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

MỤC LỤC
Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan iii
Lời cảm tạ iv
Tóm tắt v
Mục lục vii
Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt tiếng Anh x
Danh mục các hình vẽ, đồ thị xi
Danh mục các bảng xiv
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1
1.1 Lý do chọn đề tài 1
1.2 Các phương pháp chọn vị trí chống sét van 4
1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen 4
1.2.2 Phương pháp D.Fulchiron 4
1.2.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat 5

1.2.4 Phương pháp ABB 9
1.2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không 9
1.2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm 11
1.3 Các nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van 14
1.3.1 Các nghiên cứu trong nước 14
1.3.2 Các nghiên cứu quốc tế 15
1.4 Mục tiêu luận văn 17
1.5 Điểm mới của đề tài 17
1.6 Nội dung luận văn 17
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh viii HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

CHƯƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TOÁN 18
2.1 Rủi ro hư hỏng 18
2.2 Logic mờ 23
2.3 Mô phỏng bằng simpowersystem 25
CHƯƠNG III: CẤU HÌNH MẠNG ĐIỆN 27
3.1 Cấu hình trạm biến áp 27
3.1.1 Cấu hình trạm một máy biến áp 27
3.1.2 Cấu hình trạm hai máy biến áp 28
3.2 Mô hình các phần tử của mạng 28
3.2.1 Mô hình đường dây 28
3.2.1.1 Mô hình hình pi 28
3.2.1.2 Mô hình tổng trở đặc tính 30

3.2.2 Mô hình chống sét van 31
3.2.3 Mô hình nguồn xung 33
3.3 Mô hình mạng điện cần mô phỏng 34
CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 37
4.1 Đặc tính ngẫu nhiên của xung sét 37
4.2 Tiêu chí bảo vệ 38
4.2.1 Bảo vệ dựa trên chỉ số rủi ro trung bình bé nhất 38
4.2.2 Bảo vệ dựa trên tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép 39
4.3 Sơ đồ khối chương trình 40
4.3.1 Chương trình tính toán theo chỉ tiêu rủi ro trung bình thấp nhất 40
4.3.2 Chương trình tính toán theo rủi ro cho phép 44
4.3.2.1 Cấu trúc chương trình 44
4.3.2.2 Chương trình logic mờ xác định vị trí chống sét van 47
4.4 Chương trình tính toán hỗ trợ 49
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh ix HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

4.4.1 Giao diện chương trình 49
4.4.2 Kết quả tính toán 52
4.4.2.1 Kết quả tính toán cho cấu hình trạm một máy biến áp 52
4.4.2.2 Kết quả tính toán cho cấu hỉnh trạm hai máy biến áp. 53
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57


Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh x HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

KÝ TỰ VIẾT TẮT

BIL: Basic Insulation Level
MOV: Metal Oxide Varistor
AI: Artificial Intelligence
FDCL: Fuzzy Dependency and Command Language
MIQ: Machine Intelligence quotient



Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh xi HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van 4
Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách 5
Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu
truyền sóng quá điện áp sét 6
Hình 1.4 Sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có chống sét van 7
Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo thời
gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 2.1). 8
Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian τ (trường
hợp 2 ở Bảng 1.1) 9
Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây 10
Hình 1.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm 13
Hình 1.9 Xác định vị trí chống sét van dựa trên đánh giá thời gian giữa hai lần
hư hỏng 15
Hình 1.10: Lưu đồ giải thuật tối ưu hóa vị trí chống sét van 16
Hình 2.1: Dạng sóng hàm mật độ xác suất xuất hiện quá áp, hàm xác suất
phóng điện đánh thủng và rủi ro hư hỏng 18
Hình 2.2: Lưu đồ tính toán rủi ro hư hỏng 20
Hình 2.3 Đặc tuyến giữa hệ số phối hợp thống kê và rủi ro hư hỏng 21
Hình 2.4: Đặc tuyến của hàm xác suất phóng điện đánh thủng P(V) theo số
lượng các lớp cách điện đồng tâm. 22
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh xii HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Hình 2.5: Lưu đồ tính toán rủi ro hư hỏng bằng phương pháp tra bảng 22
Hình 3.1: Cấu hình trạm một máy biến áp 27
Hình 3.2: Cấu hình trạm hai máy biến áp 28
Hình 3.3: Mô hình hình pi cho đường dây. 29
Hình 3.4 : Các tham số có thể lựa chọn của một mô hình hình pi 30
Hình 3.5 : Mô hình tổng trở đặc tính 30
Hình 3.6 : Mô hình tổng trở đặc tính đơn giản 31
Hình 3.7 : Đặc tuyến V-I của chống sét van 32
Hình 3.8 : Các thông số có thể lựa chọn của chống sét van 32
Hình 3.9: Dạng xung sét tiêu chuẩn 33
Hình 3.10: Thông số của mô hình nguồn phát xung sét 34
Hình 3.11. Mô hình cho trạm một máy biến áp 34
Hình 3.12 Mô hình trạm hai máy biến áp khi chống sét van nằm trên những
đoạn cáp ngầm khác nhau 35
Hình 3.13 Mô hình trạm hai máy biến áp khi sử dụng hai chống sét van. 36
Hình 4.1: Xác suất xuất hiện một xung sét có đại lượng ngẫu nhiên lớn hơn
một giá trị xác định 38
Hình 4.2: Phân phối giá trị các biến ngẫu nhiên 38
Hình 4.3: Lưu đồ tính toán bảo vệ theo rủi ro trung bình cho cấu hinh một
máy biến áp 41
Hình 4.4: Lưu đồ sử dụng một chống sét van để bảo vệ cho trạm hai máy biến
áp 43
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh xiii HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Hình 4.5: Lưu đồ sử dụng hai chống sét van để bảo vệ cho trạm hai máy biến
áp 44
Hình 4.6 Sơ đồ khối chương trình máy tính xác định vị trí lắp đặt chống sét
van sử dụng logic mờ theo tiêu chuẩn rủi ro cho phép 45
Hình 4.7 Lưu đồ chương trình tính toán 46
Hình 4.8:Cấu tạo bộ quyết định mờ xác định vị trí chống sét van 47
Hình 4.9: Các biến ngôn ngữ của ngõ vào sai số rủi ro hư hỏng ở lần lặp thứ
(k) 48
Hình 4.10: Các biến ngôn ngữ của ngõ vào độ dịch chuyển của chống sét van
ở lần lặp thứ (k) 48
Hình 4.11 Các biến ngôn ngữ của ngõ ra độ dịch chuyển của chống sét van ở
lần lặp thứ (k+1) 49
Hình 4.12 : Giao diện chính chương trình tính toán vị trí lắp đặt chống sét van 49
Hình 4.13 Chương trình tính toán bảo vệ cho trạm một chống sét van 50
Hình 4.14 Giao diện chương trình tính toán vị trí chống sét van cho cấu hình
trạm hai máy biến áp 51
Hình 4.15 Rủi ro hư hỏng tại máy biến áp và tại điểm nối giữa đường dây trên
không và cáp ngầm 52
Hình 4.16 Rủi ro hư hỏng tại các vị trí khi sử dụng một chống sét van bảo vệ
trạm hai máy biến áp 54
Hình 4.17 Rủi ro hư hỏng tại các vị trí khi sử dụng hai chống sét van bảo vệ
trạm hai máy biến áp 54


Lu
ận văn thạc sỹ

2011



GVHD: PGS-TS Quyề
n Huy Ánh xiv HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van 7
Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống
sét van (U
p
) hiện đại với U
p
= 4.pu 11
Bảng 1.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên
không 11
Bảng 1.4 Chiều dài cho phép lớn nhất D
k
của đoạn cáp với một bên bảo vệ
thiết bị chống sét. 12
Bảng 1.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy
biến áp ở Hình 2.8 với b = 0. Hai chống sét van nối hai đầu cáp,
tại MBA không có chống sét van 13
Bảng 3.1: Các dạng sóng tiêu chuẩn 33
Bảng 4.3 : Luật mờ của bộ ra quyết định mờ xác định vị trí lắp đặt chống sét van 48









Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 1
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1.Lý do chọn đề tài
Sự ổn định và chất lượng của hệ thống điện là điều kiện tiên quyết cho sự phát
triển của nền kinh tế và chất lượng cuộc sống của người dân. Trong hệ thống điện,
mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp
điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện
mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy
ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm
đất, do thao tác, do sét…v.v. Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì
quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị.
Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế
tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp,
bộ điều áp, dàn tụ bù,.v.v.) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét).
Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật
của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.v ) cộng với cấu trúc, khoảng
cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của
một hệ thống phải chịu được điện áp ở tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với
nhiều điều kiện khí quyển. Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải

thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường. Tuy nhiên, về
mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao
như khi có quá áp quá độ.
Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện
áp cao hơn bình thường. Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng
sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện
BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế.
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 2
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới
hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu. Phương pháp
này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng
quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn. Các
công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải
tính đến ba yếu tố cơ bản: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc
biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế.
Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện
áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm
cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn
thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này
dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các
thiết bị. Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây :
- Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp.

- Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp.
Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện.
Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết
bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt
thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp
và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện.
Thiết kế được phối hợp bao gồm:
- Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả.
- Dùng dây, kim thu sét.
- Điều khiển góc thao tác các máy cắt.
- Sử dụng các tụ điện xung.
Các thiết bị bảo vệ bao gồm :
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 3
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

- Khe hở phóng điện.
- Các loại van chống sét.
Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư
hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị. Hiện tại, thông thường
sử dụng chống sét van MOV không khe hở để bảo vệ quá áp do sét trên lưới phân
phối.
Trong thực tế, ở lưới phân phối thì máy biến áp thường được bảo vệ bằng thiết
bị chống sét van. Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực cao
thế của máy biến áp là hết sức quan trọng. Bởi vì chống sét van còn phải bảo vệ cho

toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét
van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách.
Việc tính toán lắp đặt bảo vệ cần tính đến các yếu tố ngẫu nhiên của xung sét
để đảm bảo cả tính kinh tế và kỹ thuật của luận văn. Vì vậy các giải pháp thống kê
cần được sử dụng để xác định các thông số ngẫu nhiên của xung sét như độ dốc đầu
sóng và biên độ đỉnh sóng.
Để đánh giá tính hiệu quả của bảo vệ, khoảng thời gian hư hỏng của thiết bị
thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Tuy nhiên trong các ngiên cứu
gần đây, thông số rủi ro hư hỏng thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ.
Để tính toán được rủi ro hư hỏng, phân phối thống kê của điện áp cực đại xuất hiện
tại các vị trí quan trọng cần được tính đến. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một
phương trình nào mô tả chính xác quá trình quá độ xảy ra trong mạng điện nên các
phương pháp trí tuệ nhân tạo sẽ phù hợp cho bài toán thiết kế.
Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Ứng dụng logic mờ để xác định vị trí
chống sét van” đi sâu vào nghiên cứu tính toán và xây dựng chương trình để xác
định vị trí đặt chống sét van cấp trung thế dạng MOV cho nhiều loại cấu hình trạm
biến áp khác nhau.
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 4
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

1.2 Các phương pháp lựa chọn vị trí chống sét van
1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen
Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo
vệ (Hình 1.1). Vì vậy không quan tâm đến sóng phản xạ.


Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van
Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện:

CSV
t p
2.U U
I
Z
−
≥
(1.1)
Ở đây: U
t
là biên độ sóng quá áp truyền đến trạm, kV; Z là tổng sóng đường
dây, Ω; U
p
là mức bảo vệ của chống sét van, kV.
Trong đó: U
t
lấy bằng với mức cách điện xung của cách điện đường dây, phụ
thuộc vào loại cột (cột gỗ, cột thép hoặc cột bê tông cốt thép).
Kết luận:
Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản.
Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết
bị cần bảo vệ.
1.2.2 Phương pháp D.Fulchiron
Z
Transformer
Arrester

U
p
U
t
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 5
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không
(Hình 2.2).

Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách
Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máy
biến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cách
tối đa D cho phép:
p
C BIL
D U
S 2
 
 
 
≤ −
(1.2)
Ở đây: BIL là mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp, kV; S là độ dốc

đầu sóng, kV; C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, C = 300 m/µs.
Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách
cho phép giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp. Tuy nhiên vẫn chưa tính đến
thời gian đầu sóng và sóng phản xạ.
1.2.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat
Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các
trường hợp khác nhau. Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm
biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 1.3)


Transformer
Arrester
D,C
U
p
J
S
J
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 6
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng







Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu
truyền sóng quá điện áp sét
Những thành phần trong Hình 1.3 bao gồm:
a. Đường dây: Z là tổng trở sóng đường dây, Ω
C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, m/µs
D là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp, m
τ = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B
b. Chống sét van: U
p
là mức bảo vệ của chống sét van, kV
Đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng.
c. Hệ thống nối đất: Có tổng trở gần bằng không
d. Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không đáng kể.
e. Máy biến áp: Có tổng trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z
f. Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp tăng từ
giá trị 0 đến giá trị U
p
là T = U
p
/S.
Giá trị quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp được xem xét trong 3
trường hợp tương ứng với quan hệ của giá trị T theo τ (Bảng 1.1)
Đường dây

CSV


MBA


Z

Z

D, C,
τ

Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 7
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van
TT Trường hợp
Điện áp cực đại
trên MBA
Giải thích
1
p
C.U
D
2.S
>



T
hay 2
< τ

2U
p

Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách
phân cách D không ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên
máy biến áp. Chống sét van hạn chế điện áp này ở mức
2U
p

2

p
C.U
D
2.S
<



T
hay 2
> τ



p

2.S.D
U
C
+

p p
T
2.
U U
τ
= +

p
T
2.
U 1
 
 
 
τ
= +

Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách
phân cách D có ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên máy
biến áp. Chống sét van hạn chế điện áp cực đại trên máy
biến áp: điện áp trên máy biến áp tăng một lượng bằng
p
T
2.
U

τ

3
p
C.U
D
2.S
=


T
hay 2
= τ

p
2.S.D
U
C
+

p p
T
2.
U U
τ
= +

= U
p
+ U

p

= 2U
p

Giữa trường hợp 1 và trường hợp 2
Ở Hình 1.4 trình bày sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có trang bị
chống sét van









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


Điện áp lớn nhất bằng 2U
0
ở thời điểm T
1

là thời điểm nguy hiểm nhất
Mức bảo vệ của chống sét van U
p


Điện áp U
0
là sóng tới chống sét van vào
thời điểm T
0



Thời điểm

T
0


T
1

Hướng truyền sóng quá điện áp Điện áp
CSV

(
thi
ế
t b
ế

b
ế
o v

ế
)

MBA

(thi
ế
t b
ế

c
ế
n b
ế
o v
ế
)

Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 8
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Quan hệ điện áp của các điểm trên đường dây được bảo vệ theo thời gian được trình
bày ở Hình 1.5

















Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo
thời gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 2.1).
Quan hệ quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp theo thời gian được
trình bày ở Hình 1.6

D, C, τ

Chống sét van
Đường dây

Máy biến áp
Trư
ờ
ng h
ợ

p 1 (T<2
τ
)

T
Trư
ờ
ng h
ợ
p 2 (T > 2
τ
)

Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 9
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng










Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian τ (trường
hợp 2 ở Bảng 1.1)
Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến độ dốc đầu sóng, thời gian
truyền sóng và mức bảo vệ của chống sét van khi xác định khoảng cách phân cách
D. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như: chưa tính đến tổng trở
dây nối giữa chống sét van và thiết bị bảo vệ, cũng như giữa chống sét van và đất,
đặc tính thực của chống sét van, cấu hình mạng điện, các phần tử mang tính dung
(như máy biến áp)…
Phương pháp xác định khoảng cách phân cách đề xuất bởi ABB cũng gần như
phương pháp của Benoît de Metz-Noblat. Nhưng có tính đến đường dây nối giữa
chống sét van với đường dây và chiều dài dây đến đầu cực máy biến áp, đồng thời
cũng xét đến kiểu kết cấu trạm đường dây trên không và trạm có kết cấu đường dây
cáp ngầm.
1.2.4 Phương pháp ABB
1.2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không
Xét đường dây phân phối trên không trình bày ở Hình 1.7


Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 10
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Ghi chú:
U

t
: Sóng quá áp lan truyền CSV: Chống sét van
trên đường dây, kV a, b : Chiều dài dây, m
C: Tốc độ truyền sóng, m/µs E : Cuối đường dây
S: Độ dốc đầu sóng, kV/µs U
E
: Quá áp tại E, kV
Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây
Quá điện áp U
t
truyền sóng vào với tốc độ C hướng theo đường dây vào đầu
cực E. Tại điểm E là thiết bị điện được bảo vệ (như máy biến áp). Khi sóng truyền
tới E, nó được phản xạ và điện áp tăng 2U
t
. Chức năng chống sét van (CSV) là bảo
vệ thiết bị điện từ lúc bắt đầu tiến tới giá trị điện áp cao không cho phép. Giả sử cho
rằng độ dốc đầu sóng S của sóng quá điện áp truyền vào là hằng số theo thời gian,
giá trị lớn nhất U
E
được xác định theo biểu thức sau:
(
)
E P
C 300m / s
2.S. a b
U U ;
C
= µ
+
= +

(1.3)
Kinh nghiệm cho rằng hệ số an toàn 1,2 là bảo vệ hiệu quả giữa BIL của thiết
bị điện và xung quá áp U
E
tại thiết bị điện.
(
)
E P
2.S. a b
BIL
U U
1,2 C
+
≥ = +
(1.4)
Nếu giá trị giới hạn được đặt L = a + b thì có phương trình sau đây:
E
S
a
b
CSV
C
U
U
E
t
Lu
ận văn thạc sỹ

2011



GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 11
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

P
C BIL
D . U
2.S 1,2
 
 
 
≤ −
(1.5)
Nếu tổng đường dây đấu nối là a + b nhỏ hơn khoảng cách bảo vệ D của thiết
bị chống sét thì thiết bị điện được bảo vệ tại điểm E. Các giá trị BIL, U
p
và S được
ước tính trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3
Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống sét van
(U
p
) hiện đại với U
p
= 4.pu
U
n
kV

3,6 7,2 12 17,5 24 36

BIL kV

40 60 75 95 125 170
U
p
kV

11,8 23,5 39,2 57,2 79,9 117,6
BIL / U
p
3,39 2,55 1,91 1,66 1,59 1,45

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

Cột gỗ Xà đỡ đã nối đất
U (kV) 3000 660
S (kV/
µ
s)
1550 800

1.2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm
Bảo vệ quá điện áp cho cáp
Sự khác nhau chủ yếu giữa dữ liệu điện của đường dây trên không và cáp là
trở kháng xung dây dẫn với đất. Giá trị cho đường dây phân phối trên không xấp xỉ
từ 300 Ω đến 450 Ω và cho cáp trong phạm vi từ 20 Ω đến 60 Ω. Trước hết, sự khác
nhau này gây ra sự giảm rõ rệt của quá điện áp do sét khi xung sét truyền vào cáp.
Xung điện áp đi vào cáp bị suy giảm và bị phản xạ tại cuối cáp làm điện áp tăng lên
gấp đôi. Sau đó xung truyền trở lại qua cáp và phản xạ thêm một lần nữa v.v Bằng

cách này, quá điện áp trong cáp tăng đều đều mặc dù độ dốc quá điện áp trong cáp
thấp hơn thực sự, trị số đỉnh này gần bằng quá điện áp do sét trên đường dây.
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 12
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Bảng 1.4 trình bày cách chọn chiều dài cho phép lớn nhất của đoạn cáp với
một bên bảo vệ thiết bị chống sét ứng với hai loại cột (cột gỗ, xà đỡ nối đất). Trong
đó, Z
k
là tổng trở sóng cáp, Ω; chiều dài dây nối từ đầu cực chống sét van đến cáp là
1 m.
Bảng 1.4 Chiều dài cho phép lớn nhất D
k
của đoạn cáp với một bên bảo vệ thiết bị
chống sét.
Chống sét van:
U
p
= 4 pu
I
n
= 10 kA
Chiều dài dây
nối CSV đến

cáp là 1m




Loại cột Cột gỗ Xà đỡ nối đất

Cột gỗ Xà đỡ nối đất
U
n

(kV)
Z
k

(Ω
ΩΩ
Ω)
D
k

(m)
D
k

(m)
3,6
30
∞


∞

7 17
60
∞

∞

3 10
7,2
30 64 64 9 22
60 45 50 4 13
12
30 40 40 9 19
60 30 32 4 14
17,5
30 25 26 6 15
60 21 22 3 13
24
30 28 28 10 17
60 23 24 5 15
36
30 22 22 8 15
60 20 20 4 14
Máy biến áp đặt tại cuối đoạn cáp ngầm
Đây là trường hợp thường gặp ở những khu vực đường dây trên không do địa
hình không thể đấu nối trực tiếp máy biến áp, sơ đồ nguyên lý Hình 2.8
S
CSV
C

U
t
D
k
S
CSV
C
U
t
D
k
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 13
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng



Ghi chú: F : Đường dây bị sét đánh U
t
: Quá áp sét, kV
D
K
: Chiều dài cáp, m CSV1, CSV2: Các chống sét van
a, b: Chiều dài các dây nối, m V
k

: Điện áp lớn nhất tại cuối đoạn cáp, kV
MBA: Máy biến áp V
T
: Điện áp lớn nhất tại MBA, kV
Hình 1.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm
Trong Hình 1.8, CSV 1 là chống sét van ở cột chuyển tiếp đường dây trên
không và đoạn cáp ngầm, CSV 2 là chống sét van nối giữa đầu cuối của đoạn cáp
và máy biến áp với các khoảng cách a, b.
Về nguyên tắc b càng nhỏ càng tốt, để CSV 2 bảo vệ quá áp đầu cuối của cáp.
Nếu b tăng thì V
k
tăng rất nhanh. Nếu xem điện dung của máy biến áp là 2nF
(trường hợp điện dung bé hơn thì khoảng cách a tăng lên), trong đó Z
k
là tổng trở
sóng của cáp, với khoảng cách a trong bảng thì không cần lắp đặt thêm chống sét
van ở máy biến áp.
Bảng 1.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy biến
áp ở Hình 2.8 với b = 0. Hai chống sét van nối hai đầu cáp, tại MBA
không có chống sét van
Chống sét van:
U
p
= 4 pu ; I
n
= 10 kA


Cột gỗ


Cột sắt, cột bê tông, xà nối đất
F
D
k
CSV 2
a
b
V
k
MBA
S
CSV 1
C
U
V
T
t
Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 14
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Z
k
(
Ω

ΩΩ
Ω
)
30 60 30 60
U
n
(kV) a(m) a(m) a(m) a(m)
3,6 100 100 500 500
7,2 45 40 60 55
12 17 12 22 15
17,5 13 9 18 11
24 15 9 20 13
36 7 6 18 11
Kết luận:
Ưu điểm của phương pháp là đề cập đến trạm có kết cấu đường dây trên không
và cáp ngầm:
Đối với trạm kết nối với đường dây trên không: có tính đến khoảng cách từ
chống sét van đến đường dây trên không (b) và khoảng cách từ điểm chung dây nối
chống sét van với đường dây đến đầu cực máy biến áp (a), độ dốc sóng (S).
Đối với trạm kết nối với đường dây kết nối với cáp ngầm: có tính đến tổng trở
sóng của cáp, chiều dài cáp, quá áp đoạn cuối cáp, loại cột, phần tử mang tính dung
(máy biến áp).
Tuy nhiên, phương pháp này chưa quan tấm đến hệ số che chắn, cấu hình trạm phức
tạp, mật độ sét khu vực, tổng trở các dây nối của hai đầu chống sét van, độ dốc chọn
lựa theo kinh nghiệm.
1.3 Các nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van
1.3.1 Các nghiên cứu trong nước
Một số nghiên cức trong nước [1] xác định vị trí chống sét van nhằm đảm
bảo thời gian giữa hai lần hư hỏng dựa theo các yếu tố ảnh hưởng như hệ số che
chắn, mật độ sét khu vực, giá trị điện cảm của đường dây.

Phương án này giả sử vận tốc truyền sóng bằng vận tốc ánh sang và tiêu chí
để đánh giá bảo vệ là khoảng thời gian giữa hai lần hư hỏng.

Lu
ận văn thạc sỹ

2011


GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 15
HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng





Hình 1.9 Xác định vị trí chống sét van dựa trên đánh giá thời gian giữa hai
lần hư hỏng
1.3.2 Các nghiên cứu quốc tế
Một số nghiên nước ngoài [4] sử dụng chỉ tiêu rủi ro hư hỏng để đánh giá
bảo vệ. Theo đó một hàm mục tiêu về rủi ro hư hỏng trung bình cho tất cả các vị trí
quan trọng trong mạng điện được thành lập và vị trí chống sét van được chọn là vị
trí làm cho giá trị trung bình đó nhỏ nhất. Giải thuật tối ưu hóa vị trí chống sét van
được thực hiện theo lưu đồ giải thuật ở Hình 1.10
Nhận xét: giải thuật này chỉ tìm được những cưc trị địa phương chứ không
thể tìm được giá trị nhỏ nhất cho tất cả các trường hợp. Vì vậy một phương pháp
được đề nghị là giá trị rủi ro hư hỏng sẽ được khảo sát trên khắp đoạn cáp ngầm
một cách sơ bộ để tìm vị trí có cực tiểu toàn cục, sau đó sẽ tiến hành việc hiệu
chỉnh.



Thời gian giữa hai lần
hư hỏng> thời gian hư
hỏng cho phép???
Vị trí chống
sét van
Hệ số che chắn
Mật độ sét khu vực
L đường dây