KỸ THUẬT

DIỆN CAO ÁP
Ilõ / i Ĩ A n ó
Quá
diện áp

K

bảo vệ chống quá điện áp
THƯ VIỆN ĐH NHA TRANG

1000022456

I

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HOC VÀ KỸ THUÂT


TR Ầ N VĂN T Ớ P

KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ BÀO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP

ĨRƯƠHGBẠI HOCKHftỵRÂSG

THƯ VIỆN
»

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ K Ỹ THUẬT
HÀ NÔI - 2007

Lờ i nói đầu
Trong sự nghiệp phát triển ngành điện, ứng dụng kỹ thuật điện áp cao đóng
vai trị hết sức quan trọng cho việc truyền tải điện năng đi xa. Sử dụng điện áp cao
và siêu cao trong các lưới điện yêu cầu phải giải quyết nhiều bài toán khoa học
cơng nghệ phức tạp, trong đó quan trọng nhất là những vấn đề liên quan đến cách
điện.
Cách điện của hệ thống điện được tinh toán trên cơ sờ chịu tác động lâu dài
của điện áp làm việc lớn nhất. Ngồi ra chúng cịn phải chịu được tác động ngắn
hạn của điện áp tăng cao (quá điện áp) xuất hiện trong khi vận hành. Nguyên nhân
quá điện áp có thể do sét đánh vào các công trinh điện hoặc xuống đất trong các
vùng lân cận (quá điện áp khí quyển hay quá điện áp sét) hoặc do thao tác đóng
cắt trong hệ thống điện (quá điện áp nội bộ). Trị số lớn nhất của quá điện áp, đặc
biệt là của q điện áp khí quyển có thể thay đổi trong một phạm vi rất rộng, do
vậy khi giải quyết các bài toán thực tế cần sử dụng phương pháp tiếp cận thống kê,
nghĩa là phải xác định xác suất gây quá điện áp so với mức cách điện của thiết bị
hoặc so với mức cho phép của quá điện áp. Độ tin cậy cao, khả năng chịu đựng
được các dạng quá điện áp là chỉ tiêu quan trọng nhất của cách điện trong hệ
thống điện
Với cuốn "Kỹ thuật điện cao áp - Quá điện áp và bảo vệ chống quá điện áp",
tác giả mong muốn cố được một tài liệu về vấn đề quá điện áp và bảo vệ chống
quá điện áp trong hệ thống điện dùng làm sách giáo khoa cho sinh viên ngành
điện của các trường đại học và tài liệu tham khảo cho học viên cao học. Tài liệu
này được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy môn học Kỹ thuật điện cao áp
và tài liệu "Một số vấn đề kỹ thuật điện áp ở siêu cao áp và cực cao áp” do GS Vỗ
Viết Đạn biên soạn năm 1992 phục vụ công tác vận hành và quản lý hệ thống
truyền tải siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam. Đây là một tài liệu rất bổ ích nhằm cung
cấp những kiến thức cơ sờ trong vấn đề quá điện áp, bảo vệ chống quá điện áp
của lưới điện siêu cao áp và cực cao áp.


3


Xuất bản lần đầu một cuốn sách về các vấn đề rất phức tạp, chắc chắn
khơng tránh khỏi sai sót. Tác giả xin chân thành cảm ơn những nhận xét góp ý của
bạn đọc về nội dung để cuốn sách được hoàn thiện hơn trong những lần xuất bản
sau. Mọi thư từ góp ý xin gửi về cho tác giả theo địa chì của Bộ mơn Hệ thống điện,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hoặc qua hộp thư điện tử
Tác giả

4


MỤC LỤC
Lời nói đầu

3

Mục lục

5

Mở đầu

9

CHƯƠNG 1. BẢO VỆ CHỐNG SÉT HỆ THỐNG ĐIỆN, LÝ THUYẾT MƠ HÌNH
ĐIỆN HỈNH HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN


20

1.1. Lý do bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

20

1.2. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng cột thu lôi và dây chống sét

22

1.3. Nội dung lý thuyết mơ hình điện hình học (MH ĐHH)

34

1.4. Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của thu lôi Franklin

38

1.5. Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của dây chống sét

45

1.6. Hiệu quả bảo vệ chống sét trạm biến áp và đường dây

53

1.7. Điều kiện an tồn khi có dịng điện sét qua hệ thống thu sét

54


1.8. Nối đất và kết cấu của hệ thống thu sét

56

1.9. Cột thu lôi hiện đại

57

CHƯƠNG 2. TRUYỀN SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN CÁC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

60

2.1. Khái niệm

60

2.2. Truyền sóng trong hệ thống nhiều dây dẫn

65

2.3. Phản xạ và khúc xạ của sóng - Quy tắc Petersen

71

2.4. Phản xạ, khúc xạ nhiều lần của sóng

62

2.5. Truyền sóng trong mạch giao động


®9

2.6. Xác định điện áp tại điểm nút bằng phương pháp đồ thị

93

2.7. Quy tắc sóng đẳng trị

96

2.8. Ảnh hưởng của vầng quang xung kích đối với truyền sóng

9

CHƯƠNG 3. NGHIÊN

cứu VỀ TÁC DỤNG CỦA PHÂN

PHA

102

3.1. Tác dụng của phân pha đối với các tham số cơ bản của đường dây
3.2. Tác dụng của phân pha đối với vầng quang

1°9

3.3 Tác dụng của phân pha đối với công suất tự nhiên
5



3.4. Tổng hợp các tác dụng của phân pha
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN Nối ĐẤT

114
115

4.1..Lý do cần nối đất

115

4.2. Điện trở nối đất và tiêu chuẩn nối đất an tồn

117

4.3. Mơ hình đất và đo điện trở suất của đất

121

4.4. Tính tốn hệ thống nối đất an tồn

124

4.5. Nối đất chống sét

150

CHƯƠNG 5. THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT

164


5.1. Mở đầu

164

5.2. Phương tiện bảo vệ chống quá điện áp

166

5.3. Khe hở phóng điện

167

5.4. Chống sét ống

170

5.5. Chống sét van

174

5.6. Lắp đặt chống sét van

187

CHƯƠNG 6. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

189

6.1. Lý do bảo vệ chống sét đường dây


189

6.2. Các phương pháp tính tốn suất cắt do sét

190

6.3. Suất cắt của đường dây không treo dây chống sét (35 kV)

201

6.4. Suất cắt của đường dây có treo dây chống sét (110 kV trở lên)

202

6.5. Bảo vệ các điểm đặc biệt của đường dây

203

6.6. Nối đất dây chống sét

205

6.7. Ảnh hưởng của các yếu tố đến bảo vệ chống sét

207

CHƯƠNG 7. BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP

210


7.1. Lý do bảo vệ chống sét trạm biến áp

210

7.2. Bảo vệ chống sét trạm biến áp

212

7.3. Chiều dài đoạn bảo vệ tới trạm

222

7.4. Sơ đồ bảo vệ trạm chống sóng quá điện áp lan truyền

224

7.5. Khoảng cách bảo vệ của chống sét van

225

7.6. Hiệu quả của bảo vệ chống sét cho trạm biến áp. Đánh giá độ tin cậy
bảo vệ chống sét cho trạm biến áp.
6

228


CHƯƠNG 8. HIỆU ỨNG TĨNH ĐIỆN CỦA ĐƯỜNG DÂY VÀ TRẠM BIÊN ÁP CAO ÁP


233

8.1. Tác dụng của dòng điện và điện trường mạnh đối với cơ thể người

234

8.2. Tính toán gradient điện áp ở mặt đất bên dưới đường dây CA, SCA

236

8.3. Tính tốn dịng điện cảm ứng

241

8.4. Xác định khoảng cách tới mặt đất của đường dây SCA, CCA

245

8.5. Hiệu ứng tĩnh điện ở trạm biến áp SCA, CCA

247

CHƯƠNG 9. TẢI ĐIỆN XA VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI

249

9.1. Phương trình cơ bản cũa tải điện xa

249


9.2. Chế độ vận hành có tải của đường dây dài

258

9.3. Chế độ vận hành khi hở mạch ở đầu cuối

263

CHƯƠNG 10. QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ TRONG HỆ THÔNG ĐIỆN

275

10.1. Quá điện áp quá độ khi đóng điện vào đường dây dài

275

10.2. Các vấn đề khi thao tác cắt mạch điện

278

10.3. Cộng hưởng ở tần số công nghiệp trong mạch L - c ghép nối tiếp

285

10.4. Hiện tượng cộng hưởng tần sô thấp SSR (subsynchronous resonance)

287

CHƯƠNG 11. CÁCH ĐIỆN ĐƯỜNG DÂY
11.1. Quan điểm chọn cách điện đường dây siêu cao áp


289
289

11.2. Cách điện ở điện áp xoay chiều tần số cơng nghiệp khi có xét đến ơ
nhiễm

290

11.3. Cách điện ở quá điện áp thao tác

296

TÀI LIỆU THAM KHẢO

301

7


Các chữ viết tắt
TA - Trung áp
CA - Cao áp
SCA - Siêu cao áp
CCA - Cực cao áp
SIL - Công suất tự nhiên (Surge Impedance Loading)
PVBV - Phạm vi bảo vệ
CTL - Cột thu lôi
DCS - Dây chống sét
LLS - Hệ thống định vị sét (Lightning Location System)


scs - Tụ bù dọc
SSR - Hiện tượng cộng hường tần số thấp (Subsynchronous Resonance)
TRV - Điện áp khôi phục (Transient Recovery Voltage)
TRVR - Tốc độ của điện áp khôi phục (TRVR Rate of Rise)
MOV - Điện trở phi tuyến (Metal Oxyd Varistor)
FO - Điện áp phóng điện (Flashover)
CFO - Trị số trung binh cùa điện áp phóng điện
CSV - Chống sét van
TĐL - Tự động đóng lại
BIL - Mức cách điện xung kích (Basic Impulse Level).

8


M ờ đầu
Sự phát triển của sản xuất và sử dụng năng lượng điện dẫn đến việc hình
thành các hệ thống điện lớn có điện áp làm việc ngày cáng tăng cao.
Theo quy định của IEC (International Electrotechnic Commission) thì màng
điện áp cao trên 1000 V được phân loại như sau:
Báng

.Phân loại cấp điện áp trên 1000 V
1
Điện áp định mức

Cấp điện áp

in


•I*
T—

Trung áp (TA)
Cao áp (CA)

45 + 300 kV

Siêu cao áp (SCA)

300 -T 750 kV

Cực cao áp (CCA)

> 750 kV

Với tốc độ tăng trưởng cao, công suất tập trung tại một số nhà máy lớn thì độ
tin cậy của cách điện ờ điện áp làm việc và khi quá điện áp xuất hiện có ý nghĩa
hết sức quan trọng.
Quá điện áp được hiểu là các nhiễu loạn xếp chồng lên điện áp làm việc của
mạng điện. Xác định rõ các đặc tính của q điện áp thường rất khó. Người ta chỉ
có thể thiết lập các đặc tính thời gian, biên độ, độ dốc... của chúng bằng phương
pháp xác suất thống kê (bảng 2).
Bảng

Thời gian

Độ dốc
Tần số


lâu dài,
> 1 ms

tần số cơng
nghiệp

chậm

2 -4

ngắn hạn,
1 ms

trung bình,
1 - 200 kHz

trung
bình

>4

rất ngắn

rất dốc
1000 kV/ps

rất mạnh

Hệ số
quá áp


Dạng quá điện áp

QĐA khí quyển
í____

im

QĐA nội bộ (đóng cắt)

VI

________

QĐA tần số cơng nghiệp
(sự cố hư hỏng cách điện)

.Các đặc tinh chủ yếu của các dạng quá điện áp
2

1 - 10ps

Tắt dần

______________ I

9


Nhiễu loạn có thể gây gián đoạn tạm thời (cắt điện, tự động đóng ...) hoặc

gián đoạn lâu dài (cắt điện để thay thế cách điện bị hư hỏng hoặc thay thế thiết bị).
Các thiết bị bảo vệ cho phép hạn chế các nguy cơ rủi ro trên. Trong các
trường hợp bảo vệ chống quá điện áp, cần phải xây dựng một cách tin cậy các mức
cách điện và bảo vệ.
A.

Qđiện

ápkhí quyển

Dơng sét là một hiện tượng thiên nhiên rất kỳ bí và nguy hiểm: trên tồn cầu
hàng ngày có trung bình hàng nghìn cơn dơng. Hàng năm dơng sét gây ra hoả
hoạn, thiệt hại lớn về người và gây cắt đường dây tải điện và đường điện thoại.
Các đường dây tải điện trên không bị ảnh hưởng thường xuyên và nặng nề bởi q
điện áp khí quyển. Phóng điện sét đặc trưng bởi các dịng điện xung kích, đơn cực
tính. Đa phần (khoảng 80 - 90%) các cú sét đánh xuống mặt đất mang cực tính âm,
chỉ có 10 - 20% dịng điện sét mang cực tính dương, nhưng thường đó lại là các cú
sét dữ dội và mãnh liệt nhất. Dịng điện sét có thời gian rất ngắn, khoảng vài chục
microgiây VỚI tốc độ biến thiên ban đầu rất lớn.
B.Quá điện áp nội bộ
Sự thay đổi đột ngột cấu trúc của lưới điện là nguyên nhân xuất hiện hiện
tượng quá độ. Điều này thể hiện bằng sự xuất hiện của sóng quá điện áp hoặc của
một chuỗi các sóng cao tần khơng tuần hồn hoặc dao động tắt dẩn.

c. Cách điện của hệ thống điện
Cách điện cùa các trang bị điện được chia thành hai loại là cách điện bên
trong và cách điện bên ngoài.
Cách điện bên ngoài bao gồm khoảng khơng khí cách điện (cách điện giữa
các dây dẫn của các đường dây tải điện trên không), bề mặt ngoài của cách điện
rắn (cách điện đường dây), khoảng cách cách điện giữa các tiếp điểm của dao

cách ly.
Cách điện bên trong bao gồm cách điện các cuộn dãy máy biến áp, máy
điện, cách điện của cáp điện, cách điện của các sứ xuyên, cách điện giữa các tiếp
10


điểm của máy cắt. Đối với cách điện trong, người ta thường phối hợp các loại vật
liệu cách điện khác nhau, ví dụ cách điện thể rắn và thể lỏng (máy biến áp), cách
điện thể rắn và thể khí (các trạm phân phối kín cách điện bằng khí nén SF6).
Đặc điểm nổi bật của cách điện bên ngồi (khơng khi) là độ bền điện phụ
thuộc rất nhiều vào điều kiện bên ngoài như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm của khơng
khí. Đối với các cách điện rắn thi độ bền điện cịn phụ thuộc vào mức độ ơ nhiễm
cùa mơi trường.
Độ bền điện của cách điện bên trong hầu như khơng phụ thuộc vào các yếu
tố khí quyển bên ngồi, nhưng chúng lại bị lão hố, đó là sự suy giảm các tính
chất cách điện trong vận hành Đặc biệt là khơng thể loại bỏ hồn tồn phóng điện
cục bộ trong các cách điện thể rắn. Do sự thay đổi chế độ nhiệt khi dòng tải biến
thiên, trong các cách điện hình thành các bọc khí, tại đố xuất hiện phóng điện cục
bộ. Dưới tác dụng của các loại phóng điện này, cách điện sẽ bị phá huỷ, bị ăn mịn
bởi các sản phẩm do ion hố sinh ra.
Do tổn hao điện mơi, cách điện cịn có thể bị nóng lên. Nếu chiều dày cách
điện lớn, việc tản nhiệt khó khăn, sự nung nóng cách điện quá mức sẽ dẫn đến
phóng điện nhiệt.
Cách điện bên ngồi (khơng khí) có tính chất đặc biệt khác so với các loại
cách điện khác, đó là khả năng phục hồi tính chất cách điện sau khi phóng điện
nếu cắt nguồn điện hoặc sau khi hồ quang đưọ'c dập tắt. Nhưng phóng điện đánh
thủng cách điện rắn và cách điện hỗn hợp là quá trình không thuận nghịch sẽ dẫn
đến hư hỏng cách điện vĩnh viễn làm cho thiết bị điện khơng cịn vận hành được
nữa. Chính vì vậy, tinh trạng cách điện bên trong cần phải được kiểm soát chặt
chẽ trong thời gian vận hành nhằm phát hiện các khuyết tật xuất hiện và ngăn

ngừa các sự cố có thể xảy ra.
Cách điện thường xuyên phải chịu tác dụng của điện áp làm việc. Trong quá
trình vận hành, các dạng quá điện áp xuất hiện có thẻ là nguyên nhân gây sự cố.
Trước hết cách điện phải chịu tác động của quá điện áp khí quyển xuất hiện
do sét, đặc biệt là đường dây tài điện trên không do chiều dài lớn. Khi bị sét đánh,
11


quá điện áp rắt lớn xuất hiện, cách điện của đường dây khơng chịu nổi, dẫn đến
phónq điện bề mặt ngồi của chuỗi cách điện. Nếu hồ quang phóng điện được duy
trì bời điện áp làm việc sẽ làm nhảy máy cắt. Do vậy cần có các biện pháp bảo vệ
đường dây chống cắt điện do sét, như sử dụng các dây chống sét. Phối hợp sử
dụng dây chống sét và thiết bị tự động đóng lại có thể giảm thiểu số lần cắt điện do
sét đánh vào đường dây. Ngồi gây phóng điện trên cách điện, các cú sét đánh
vào đường dây làm xuất hiện quá điện áp xung kích lan truyền dọc đường dây đến
các trạm biến áp nằm ờ phía cuối đường dây.
Cách điện cịn phải chịu tác động của quá điện áp nội bộ, mà nguyên nhân
ngồi các lực điện động của các máy phát, cịn do các thao tác đóng cắt.
Trị số quá điện áp là đại lượng ngẫu nhiên, mang tính thống kê. Quá điện áp
khí quyển phụ thuộc vào cường độ dịng điện sét và đặc điểm của các công trinh
bị sét đánh. Quá điện áp nội bộ phụ thuộc vào dạng thao tác, đặc tính của mạng
và của các thiết bị đóng cắt. Chính vi vậy khi lặp lại nhiều lần một thao tác, mỗi lần
đóng cắt có thể xuất hiện quá điện áp khác nhau.
Phối hợp trị số điện áp tác động lên cách điện, đặc tính của thiết bị bảo vệ
và đặc tính của cách điện cần bảo vệ đảm bảo sự làm việc tin cậy của thiết bị
được xem là bài toán kinh tế kỹ thuật quan trọng trong thiết kế và được gọi là phối
hợp cách điện.
D. Truyền

tảiđiện ở cao áp, siêu cao áp


cực cao áp

Chuyên tải điện ờ siêu cao áp (SCA), cực cao áp (CCA) đã làm nảy sinh
những đặc điểm khác hẳn so với khi ờ trung áp và cao áp. Một số vấn đề sẽ trờ
nên nặng nề thêm khi chuyên tải điện dùng SCA, CCA ờ khoảng cách dài (đường
dây dài - ĐDD). Điều đó địi hỏi bắt buộc phải có các biện pháp khoa học kỹ thuật
toàn diện, chặt chẽ trong thiết kế cũng như trong vận hành.
ở kỹ thuật điện áp cao khi quá độ sang SCA, CCA sẽ gặp năm vấn đề nổi
bật sau đây:
.Vấn để cách diện
1
Do bề dày cách điện (hoặc chiều dài của bề mặt cách điện) tăng hầu như tỷ
12


lệ

VỚI

điện áp nên có thể hình dung được quy mơ, kích thước của đường dây SCA,

CCA rất lớn. Bảng 3 cho các số liệu cơ bản của các đường dây SCA, CCA trên thế
giới (trường hợp đường dây một mạch và dây dẫn các pha trên cùng mặt phẳng
ngang).
Bảng 3.

Cácsổ

liệu cơ bản của các đường dây SCA, CCA trên thế g

550

800

1200 1500

Khoảng cách pha (m)

7,5

10,0

14,0

18,5 22,5

Độ treo cao trung bình của dây dẫn (m)

12,5

14,0

18,5

24,0 28,0

Độ treo cao trung bình của dây chống sét (m)

22,2


24,3

30,7

39,9 45,9

Khoảng cách giữa các dảy chống sét (m)

9,4

14,6

22,1

33,8 40,0

Khoảng cách từ điểm thấp nhất của dây dẫn tới mặt đất (m)

5,5

8,24

11,3

16,8 21,1

o

Số cách điện trong chuỗi (loại cách điện chuẩn 10x5 3/4)


•IK)

362

00

Điện áp lớn nhất của hệ thống (kV)

24 -ỉ- 27 35 + 41

-

-

Cần chú ý rằng điều kiện ô nhiễm đã trờ thành một tiêu chuẩn quan trọng
trong việc chọn cách điện đường dây. Kinh nghiệm vận hành của các đường dây
SCA cho thấy khi bề mặt cách điện bị ô nhiễm và khi lớp ô nhiễm này bị ẩm ướt do
mưa phùn, sương mù.... thì có thể xảy ra phóng điện trên bề mặt chuỗi cách điện
ngay cả ờ điện áp làm việc binh thường.
Khoảng cách từ điểm thấp nhất của dây dẫn tới mặt đất được chọn theo điều
kiện về hiệu ứng tĩnh điện của đường dây SCA, CCA và được nêu trong bảng 3.
2. Vấn đ ề vầng quang
Do cường độ điện trường trên mặt dây dẫn tăng tỷ lệ với điện áp nên ờ lĩnh
vực SCA, CCA điện trường này sẽ có trị số đủ lớn đẻ gây nên phóng điện vầng
quang trong miền khổng khí bao quanh dây dẫn. Để khắc phục hiện tượng này sẽ
phải tăng đường kính dây, ví dụ ờ cấp điện áp 500 kV thì đường kính tối thiểu của
dây dẫn các pha khoảng 50mm. Việc chế tạo, vận chuyền và lắp đặt các cỡ dây
lớn như vậy sẽ rất khó khăn. Điều này đã dẫn đến kỹ thuật phân pha, một kỹ thuật
độc đáo của lĩnh vực SCA và CCA: dây dẫn đơn được thay thế bời chùm gồm n
dây phân nhỏ với khoảng cách giữa các dây phân nhỏ lân cận nhau là a. Điều

chỉnh các tham số n và a sẽ làm giảm cường độ điện trường trên mặt dây dẫn đẻ
13


khơng xuất hiện phóng điện vầng quang. Bảng 4 giới thiệu các số liệu của n, a của
các đường dây SCA, CCA đã được xây dựng hoặc dự kiến thiết kế.
Bảng

4.s ố lượng dây dẫn phân nhỏ và khoảng cách giữa các dây phân
của các đường dây SCA, CCA đã được xây dựng

Điện áp định mức của đường dây (kV)

330 -r 500

750

2 *3

4

Số dây phân nhỏ n
Khoảng cách giữa các dây phân nhỏ a (cm)

1050 1200 4 1800
6

8

<- 45 cm -»


Sử dụng kỹ thuật phân pha cịn có tác dụng nâng cao công suất tự nhiên
(SIL - Surge Impedance Loading) của đường dây nhưng mặt khác lại làm tăng
điện dung đường dây và do đó làm nặng nề thêm các hậu quả do điện dung
đường dây gây nên.
.Vân để của quá điện áp sét
3
Do có mức cách điện rất cao nên các đường dây SCA, CCA có phẩm chất
chống sét rất tốt. Trong điều kiện nối đất ờ các cột có điện trở khơng q vài chục
Ohm thì thành phần suất cắt do sét đánh vào dây chống sét (ờ khu vực đỉnh cột và
trong khoảng vượt) sẽ rất bé, không đáng kể.
Tuy nhiên do cột điện của đường dây SCA, CCA thường cao trên 30m nên
số lần sét đánh vào đường dây tăng lên và đặc biệt khả năng sét đánh vòng qua
dây chống sét vào dây dẫn cũng tăng theo độ cao của cột. Chính khả năng này đã
dẫn đến suất cắt do sét (số lần sự cố do sét trên chiều dài 100 km trong 1 năm)
quá lớn ở các đường dây SCA thuộc thế hệ đầu tiên trên thế giới (trong các thập
kỷ 50 và 60 của thế kỷ 20). Và cũng từ đó đã làm xuất hiện một lý thuyết mới về
phóng điện sét và bảo vệ chống sét - lý thuyết mơ hình điện hình học (MH ĐHH) theo đó dây chống sét được treo với góc bào vệ (góc a) bé hơn rất nhiều so với
các quy định hiện nay.
4. Vấn dề quá điện áp nội bộ
Hệ thống điện được xem như một tổng thể gồm các phần tử R, L,
đó L,
14

c

c trong

là các phần tử cấu thành mạch dao động và dẫn đến điện áp tăng cao



trong nội bộ hệ thống điện. Những dao động có tần số bằng hoặc tương ứng với
tần số nguồn sẽ gây nên quá điện áp duy trì (Temporary Overvoltage). Do được
nguồn tiếp sức nên chúng có thể tồn tại lâu dài.
Các thao tác đóng cắt trong hệ thống sẽ gây nên sự thay đổi tham số mạch
điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L - c. Những dao động
này (thường lả dao động cao tần) sẽ gây nên quá điện áp quá độ (Transient
Overvoltage) hoặc còn được gọi là quá điện áp thao tác (Switching Overvoltage).
Ở SCA và CCA quá điện áp nội bộ trờ thành nguy cơ số một đối với cách
điện của hệ thống điện vì ở điện áp càng cao thì độ dự trữ an toàn của cách điện
càng thấp. Bảng 5 cho các trị số tính tốn của q điện áp nội bộ (biểu thị theo
đơn vị tương đối p. u), các số liệu này là cơ sở đẻ tính toán thiết kế cách điện.
Bảng 5.
Điện áp định mức (kV)
Quá điện áp nội bộ tính tốn (p.u.)

Trịsơ' q điện áp nội bộ

1 1 0 -2 2 0

330

500

750

1050

3


2,7

2,5

2,1

1,8

Trong nhiều trường hợp thực tế quá điện áp nội bộ đã vượt quá giới hạn
thiết kế nêu trên, do đó ờ các hệ thống điện này bắt buộc phải có các thiết bị bảo
vệ chống quá điện áp nội bộ.
Khi vận hành ờ siêu cao áp vả ờ đường dây dài vấn đề quá điện áp nội bộ
càng trở nên trầm trọng bời các lý do:
- Khi đường dây không tải hoặc hờ mạch ở đầu cuối, dòng điện trên đường
dây là dòng điện dung (lc). Dòng điện này khi đi qua điện kháng của nguồn và của
đường dây sẽ gây tăng áp phía đường dây. Vi độ lớn của dịng điện điện dung tỷ
lệ với chiều dài đường dây nên khi đường dây càng dài thi hậu quả gây tăng áp
nói trên càng trầm trọng. Trong trường hợp đặc biệt khi đường dây có chiều dái
1500 km thì điện áp đầu cuối hở mạch của đường dây sẽ tăng vô cùng.
- Đường dây dài là một mạch dao động nhiều tần số xác định theo:

15


fK=(2k+l)fo
(1)

trong đó:

V -


tốc độ truyền sóng trong khơng khí, có trị số bằng tốc độ ánh

sáng;
I - chiều dài đường dây;
k - chỉ số lấy giá trị từ 0 đến vỗ cùng.
Các tần số này tỷ lệ nghịch với chiều dài đường dây. ở chiều dài 1500 km
thì tần số dao động cơ bản (tần số f0) có trị số bằng 50 Hz cịn ở chiều dài 500 km
thì fo bằng 150 Hz.
Do nguồn điện có tần số f = 50 Hz nên chiều dài 1500 km sẽ là chiều dài
cộng hưởng với tần số f và chiều dài 500 km là chiều dài cộng hưởng với tần số 3f
của nguồn.
5.

Hiệuứng tĩnh điện của đường dây và trạm biên áp SCA, CCA

ở SCA, CCA phải quan tâm đến hiệu ứng tĩnh điện vì điện trường ờ khu
vực gần đường dây và trạm biến áp rất lớn.
Hiệu ứng này được thể hiện thông qua tác dụng của điện trường ờ mặt đất
đối với cơ thể người. Ngoài ra khi người đứng dưới đất có tiếp xúc va chạm với
các vật thể đã bị nhiễm điện do cảm ứng tĩnh điện (khi chúng được đặt trong khu
vực trường mạnh của đường dây, trạm biến áp SCA, CCA) thi sẽ có dịng điện
nguy hiểm tác dụng lên cơ thể người.
6. Một sỏ dặc điểm của đường dây dài

quan đến 4 kỹ thuật diện áp

cao:
1. Khái niệm "dài, ngắn” được xác định từ tương quan giữa chiều dài đường
dây với chiều dài của bước sóng ở tần số cơng nghiệp (tần số f = 50 Hz) và như

đã biết, bước sóng này dài 6000 km.
Theo quy ước chung hiện nay, các đường dây có chiều dài khoảng vài ba
16


trăm kilomét trở lại được xem là các đường dây có chiều dài ngắn và trung bình
Trong tinh tốn có thể bỏ qua không xét đến sự biến thiên của điện từ trường dọc
theo chiều dài đường dây và do đó đường dây sẽ được biểu thị bời mơ hình có
tham số tập trung, ở các đường dây dài mơ hình tính tốn của đường dây là mơ
hình có tham số phân bố mà theo đó điện áp và dịng điện là nghiệm cùa phương
trình sóng. Từ đó sẽ thấy rõ được các đặc tính sóng của chun tải năng lượng
điện.
2. Đường dây SCA, CCA được xem như nguồn phát công suất phản kháng
rất lớn trong hệ thống điện. Cõng suất này có trị số bằng:
Qc = Ũ)CU?I

(2)

trong đó: co - tẩn số nguồn (co = 2íif);

u - điện áp đinh
c - điện

mức của đường dây;

dung thứ tự thuận ứng với đơn vị dài của đường dây;

I - chiều dài đường dây.
ở các đường dây SCA, CCA công suất Qc khơng những tăng tỷ lệ với bình
phương của điện áp, tăng tỷ lệ với chiều dài đường dây mà còn tăng theo điện

dung

c

ở các đường dây này, kỹ thuật phân pha đã làm tâng đáng kể trị số của

c.

Ví dụ ờ cấp điện áp 500 kV thì cơng suất phản kháng do đường dây sinh ra ứng
với một đơn vị dài của đường dây (Line Charging

cu2) đạt

tới mức 1MVAR/ km.

Như vậy chỉ cần dài tới 1000 km thì lượng cơng suất phản kháng do đường dây
sản sinh ra đã vượt quá trị số của công suất tự nhiên. Khi vận hành ở chế độ
không tải và non tải thi lượng cơng suất vơ cơng nói trên sẽ làm tăng điện áp
đường dây và làm tăng kích thích từ trong các nguồn phát. Vì vậy đối với các
đường dây SCA, CCA bắt buộc phải có biện pháp làm giảm cơng suất Qc bằng
cách dùng các kháng bù ngang đẻ bù tham số điện dung

c của đường

dây.

Điều đó chứng tỏ rằng khái niệm về “đường dây'' ở SCA, CCA khác hẳn so
với ờ trung áp (TA) và ở cao áp (CA). Đường dây SCA, CCA là một tổng thể gồm
hai thành phần cơ bản là “ Hệ thống cột - dây dẫn” và “Hệ thống kháng bù ngang".
17



Nếu khơng có thành phần thứ hai thi sê khơng tồn tại đường dây vì ngay ờ
chế độ xác lập bình thường điện áp đã vượt quá giới hạn cho phép và đường dây
không thể vận hành.
Trong các trường hợp đường dây dài SCA, CCA cịn có thêm thành phần
thứ ba là “Hệ thống tụ bù dọc SCS” (Sérié Compensation Systems) phân bố đều
dọc theo chiều dài đường dây. Hệ thống này có tác dụng bù tham số điện cảm L
nhằm tăng khả năng chuyên tải của đường dây dài.
Cần nhấn mạnh về một tác dụng khác của tụ bù dọc đó là tác dụng tự động
điều chỉnh điện áp:
- Khi đường dây khơng tải hoặc non tải thì dịng điện trên đường dây là
dòng điện dung (lc). Dòng điện này khi đi qua tụ bù dọc sẽ làm giảm điện áp phía
cuối đường dây và như vậy tụ bù dọc có tác dụng trong việc hạn chế quá điện áp
ở cuối đường dây.
- Khi đường dây đầy tải thi dòng điện trên đường dây là dòng điện điện cảm
(lL). Khi đi qua tụ bù dọc nó sẽ làm tăng điện áp phía cuối đường dây tức là góp
phần duy trì điện áp ờ đầu phụ tải.
- Độ điều chỉnh AU (độ tăng giảm) điện áp do tụ bù dọc gây nên có trị số
bằng:
AU=—
coC
trong đó:

(3)

c - điện dung của tụ bù dọc;
I - dòng điện qua tụ bù dọc (lL hoặc lc).

Dễ nhận thấy khi dòng điện (lL hoặc lc) càng lớn thì độ điều chỉnh điện áp

càng tăng và do đó tác dụng điều chỉnh điện áp của tụ bù dọc càng được phát huy.
Kỹ thuật tụ bù dọc (SCS) là một kỹ thuật tiên tiến mới được sử dụng chủ yếu
trên các đường dây SCA, CCA.
Trong quy hoạch các lưới điện TA và CA cũng nên xét đến kỹ thuật tụ bù
18


dọc, vi dụ khi phụ tài tăng thì hoặc phải xây dựng thèm đường dây mới hoặc sử
dụng kỹ thuật tụ bù dọc trên đường dây có sẵn và phương án được chọn là
phương án có chi phí đầu tư thấp nhất.
Cần đặc biệt lưu ý đến các khó khăn kỹ thuật do tụ bù dọc gây nên. Rõ ràng
là sự xuất hiện của tụ bù dọc sẽ dẫn đến việc hình thành các mạch dao động L -

c

ghép nối tiếp và nguy hiểm hơn là khả năng xuất hiện hiện tượng cộng hường tần
số thấp giữa phần điện và phần cơ trong hệ thống điện.
Những vấn đề này phải được tính tốn kiểm tra trước khi tiến hành so sánh
chọn phương án.

19


Chương 1
BẢO VỆ CHỐNG SÉT HỆ THỐNG ĐIỆN, LÝ THUYẾT MƠ HÌNH
ĐIỆN HỈNH HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN

1.1. Lý do bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Phóng điện mây - đất được nghiên cứu với mục đích bảo vệ chống sét đánh
trực tiếp. Tia tiên đạo là một kênh dẫn bị ion hố có điện dẫn rất lớn gồm các điện

tích âm nếu nó xuất phát từ đám mây mang điện tích âm hoặc gồm các điện tích
dương nếu nó xuất phát từ đám mây mang điện tích dương. Khi tia tiên đạo phát
triển đến gần mặt đất, cường độ điện trường trong vùng phía trước tia tiên đạo
hướng xuống mặt đất tăng rất đáng kể. Vào thời điểm này nếu tia tiên đạo mang
cực tính âm, sẽ xuất hiện phóng điện cực tính dương phát triển từ mặt đất hướng về
phía tia tiên đạo.
Vấn đế quan trọng là cần phân tích các điều kiện phát triển của phóng điện
hướng từ dưới mặt đất lên trên phía các đám mây và từ đó có thể xác định các giá
trị của phóng điện sét để hồn thiện mơ hình dự báo. Phóng điện xảy ra càng dễ
nếu điện trở nối đất của vật dưới mặt đất càng nhỏ. Mặt khác, điện trường ở mặt
đất là hàm của lượng điện tích trong tia tiên đạo, đặc biệt là ở đầu tia tiên đạo và
khoảng cách từ nó tới mặt đất.
Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, người ta sử dụng các cột thu lôi và dây
chống sét. Khả năng bảo vệ của cột thu lôi và dây chống sét thường được xác định
bằng mơ hình thực nghiệm nghiên cứu trong phịng thí nghiệm. Tuy vậy qua kinh
nghiệm vận hành vẫn thấy có khả năng sét đánh vào vùng bảo vệ của cột thu lơi
và dây chống sét, từ đó đã xuất hiện mơ hình điện hình học. Gần đây người ta đưa
20


ra một mơ hình mới được hiệu chỉnh, cho phép đánh giá hiệu quả thực tế thu hút
phóng điện của cột thu lơi và dây chống sét, mặt khác nó là cơ sở để so sánh các
thiết bị bảo vệ chống sét khi có đám mây dơng đến gần.
Cần phân biệt hai loại bảo vệ chống sét là bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
và bảo vệ chống quá điện áp lan truyền.
.Bảo
1

vệchông sét đánh trục tiếp


Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là tạo điều kiện để thu hút phóng điện sét
đến những điểm định sẵn trên mặt đất và tản dòng điện sét vào đất, tránh sét đánh
trực tiếp vào các cơng trình hoặc thiết bị cần bảo vệ. Tác dụng bảo vệ của các hệ
thống thu sét là do trong giai đoạn phóng điện tiên đạo, điện tích tập trung trên
đỉnh các hệ thống thu sét (cột thu lôi hoặc dây chống sét) và điện trường lớn nhất
sẽ mở đường giữa tia tiên đạo và hệ thống thu sét. Tia tiên đạo phát triển từ các hệ
thống thu sét ngược lên phía trên càng làm tăng điện trường và cuối cùng sét bị thu
hút về các cột thu lơi hoặc dây chống sét. Các cơng trình cần bảo vệ thấp hơn nằm
gần hệ thống thu sét được che khuất, do đó ít có khả năng bị sét đánh.
Trong trường hợp cơng trình có khả năng bị sét đánh trực tiếp thì cần phải có
biện pháp ngăn chặn bằng các thiết bị bảo vệ. Để bảo vệ con người và các cơnq
trình nhà cửa, cơng trình xây dựng... chống sét đánh trực tiếp có thể lắp đăt các kim
thu sét trên các cột cao (cột thu lôi), dây thu sét hoặc lưới thu sét. Đối với những
thiết bị này cần kiểm tra:
•

cột thu lơi và dây dẫn dịng điện sét phải được thiết kế hợp lý;

•

nối đất của hệ thông thu sét phải tốt, điện trở nối đất phải có trị số bé.

Các trạm biến áp do diện tích có hạn nên có thể bảo vệ hoặc bằng cột thu
lôi Franklin hoặc bằng dây chống sét. Các đường dây tải điện cao áp, do trải rất dài
nên khó có thể bảo vệ bằng các cột thu lơi mà phải dùng các dây chống sét, lắp
đặt ở phía bên trên các dây dẫn pha và được nối trực tiếp vào cột hoặc qua các khe
hở phóng điện.
Tác hại do sét đánh trực tiếp có thể dễ dàng phân tích trên ví dụ đơn giản
21



sau:
Nếu sét đánh vào đường dây khơng có dây chống sét, dòng điện sét sẽ lan
truyền theo dây dẫn về hai phía. Nếu tại điểm sét đánh dịng điện sét là i, về mỗi
phía C.Ĩ dịng điện bằng i/2. Nếu tổng trở sóng của dây dẫn pha là Zc, điện áp xuất
hiện đi kèm sẽ bằng Zc.i/2. Một cú sét trung bình 25kA, dây dẫn có tổng trở sóng
khoảng 400Q, giá trị điện áp xuất hiện lớn nhất là 5000 kV. Quá điện áp này có trị
số rất lớn, dễ dẫn đến phóng điện mặt ngồi của cách điện đường dây.
Trong trường hợp đường dây được bảo vệ bằng cách treo dây chống sét, nếu
điện cảm của thân cột là L, điện trở nối đất của cột điện là R thì trị số quá điện áp
sẽ bằng R.i(t) + L.di/dt. Với trường hợp trên nếu điện trở cột bằng 10Q, điện cảm
của cột bằng10|iH, với độ dốc của dòng điện sét trung bình bằng 10 kA/ps, thì quá
điện áp chỉ còn 350 kV, một trị số thấp đáng kể so với trường hợp khi sét đánh trực
tiếp vào dây dẫn.
Một khó khăn khơng nhỏ đối với các thiết bị bảo vệ chống sét là đánh giá
đúng hiệu quả bảo vệ chống sét. Do đó cũng sẽ rất khó khi đánh giá tiêu chí nguy
hiểm hoặc ngừng hoạt động của thiết bị bảo vệ. Trong lĩnh vực này một số nghiên
cứu sử dụng tia laser để định hướng phóng điện sét được áp dụng cho những cơng
trình mà vấn đề bảo vệ chống sét được coi là rất quan trọng, ví dụ như nhà máy
điện, trạm biến áp, kho xăng dầu, hoá chất.
Bảo vệ chống quá điện áp
.2
1
Các thiết bị bảo vệ loại này có nhiệm vụ ngăn chặn tác động của quá điện
áp do sét gây nên. Một trong những khó khăn đối với thiết bị bảo vệ chống quá
điện áp là mức điện áp xuất hiện sau khi sét tấn công thường thay đổi trong phạm
vi rất rộng cả về biên độ và độ dốc.

1.2.


Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng cột thu lôi và dây

chống sét
Năm 1752 Benjain Franklin (1706-1790) phát minh ra thiết bị bảo vệ chống
sét đánh trực tiếp sau khi ông ghi nhận được những điểm thu hút phóng điện sét.
22


Nguyên tắc được vận dụng là sử dụng các mũi nhọn nhân tạo có thể thu hút phóng
điện sét và sau đó dẫn dịng điện sét xuống đất.
Bảo vệ chống sét bao gồm những nguyên tắc sau:
phân tích các nguy hiểm do sét;
định nghĩa thiết bị bảo vệ phương pháp lắp đặt các thiết bị này.
Nguyên tắc bảo vệ
Bảo vệ chống sét được xây dựng dựa trên những hiểu biết về tương tác giữa
phóng điện sét với cơng trình cần bảo vệ và từ đó đưa ra các hành động bảo vệ
thích hợp. Chỉ sau khi phân tích đầy đủ các yếu tố này mới có thể xác định được
các nguyên tắc, phương pháp và thiết bị cần sử dụng để tránh tổn thất.
Người ta phân biệt hai loại nhiễu do sét:
-

loại thứ nhất liên quan đến hiệu ứng dòng điện sét biên độ lớn đi
trong cấu trúc dẫn đến hiện tượng nhiệt hoặc điện động học;

-

loại thứ hai do sự lưu thơng của dịng điện sét trong các phần tử dẫn
điện hoặc do quá điện áp cảm ứng. Các nhiễu loạn này có thể là
nauyên nhân gây phóng điện hoặc phá huỷ kết cấu cách điện. Nó
cũng có thể là nguyên nhân xuất hiện tia lửa điện khi chúng tiếp xúc

với vật liệu hoặc các nhiên liệu dễ cháy có thể gây hoả hoạn hoặc
gây cháy nổ. Ngồi ra các nhiễu loạn do sét cịn có thể gây tổn thất
cho các thiết bị điều khiển, tự động, thông tin..

Các biện pháp bảo vệ chống sét kinh điển: cột thu lơi Franklin để bảo vệ
cơng trình như trạm biến áp, dây chống sét để bảo vệ đường dây vẫn còn một số
vấn đề cần được nghiên cứu bổ sung và hiệu chỉnh.
C ột thu
.2
1

lô i Franklin

Hiệu quả bảo vệ của cột thu lôi đặc trưng bởi xác suất sét đánh vào khu vực
nào đó, là tỉ lệ giữa số lần sét đánh vào cơng trình được bảo vệ với số lần sét đánh

23


vào cột thu lơi. Việc xác định chính xác khu vực, hướng đánh của sét là rất khó. Do
đó nhiệm vụ xác định tác dụng bảo vệ của hệ thống tháo sét được quy về việc xác
định quy luật phân bố phóng điện trong hệ nhiều điện cực giữa kênh phóng điện
sét với mặt đất trên đó có đặt các cột thu lơi và các cơng trình cần bảo vê. Những
nghiên cứu về sét trên thực tế cũng như trên mơ hình cho thấy chiều cao của cột
thu lơi và hệ thống nối đất đóng vai trị quan trọng. Xác suất sét đánh vào các cơng
trình giảm khi khoảng cách đến cột thu lôi giảm, việc xác định xác suất này thường
rất phức tạp. Vì vậy ngưồi ta sử dụng phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi.
Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi được xác định trên cơ sở nghiên cứu các mơ
hình phóng điện sét trong các phịng thí nghiệm. Phạm vi bảo vệ của các hệ thống
thu sét có độ cao dưới 30m được tiến hành trong các thí nghiệm của A. A. Copian

trong những năm 1936-1940 (Liên Xơ) bằng các phóng điện tia lửa xung kích ỏ
khoảng cách lớn. Độ tin cậy của chúng được khẳng định bằng kinh nghiệm vận
hành hệ thống điện trong thời gian dài. Với các thí nghiệm cột có độ cao đến 100 m,
A. A. Copian đã đưa vào hệ số hiệu chỉnh do hiệu quả của cột cao quá 30 m bị
giảm sút và xuất hiện khả năng sét đánh vào hệ thống thu sét tại những điểm thấp
hơn đỉnh của nó.
a)

Phạm

vibảo vệ của một cột thu

lơ

-Liên Xơ:
(1.1a)

Trong đó: h - độ cao của cột thu lơi;
hx - độ cao của vật cần bảo vệ.
- Tây Âu:
= h -h x

(1.1b)

Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi xác định theo cơng thức (1.1 a), được thể hiện
trên hình 1.1.

24'



Hình 1.1. Phạm vi bảo vệ của cột thu lơi.
Để thuận tiện cho tính tốn, trong thiết kế thườnq dùng phạm vi bảo vệ dạng
đơn giản hố (hình 1.2). Từ hình vẽ có thể thấy, điểm a có độ cao 2/3 h.

a)

b)

c)

Hình 1.2. Phạm vi bảo vệ của một cột thu lơi: a) Phạm vi bảo vệ dạng đơn giản
hố; b) Phạm vi bảo vệ theo V. V. Bazutkin; c) Phạm vi bảo vệ theo ABB.
Bán kính báo vệ ở các mức cao khác nhau được tính tốn theo các cơng
thức sau:
(
K hihx < —h=>rx =1,5h 1 - —
3
0,8h
<
'
hx ì
Khi hx > —h => rx = 0,75h
h /
3

( 1. 2 )

25