i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGÔ BÁ TRÌNH
NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN
CÁCH ĐIỆN TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Mã ngành: 8 52 02 01
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN ĐỨC TƯỜNG
PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên - 2019


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Ngơ Bá Trình
Sinh ngày 01 tháng 04 năm 1986
Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải
Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự chỉ dậy giúp đỡ tận tình của các thầy
cơ giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp TS.
Nguyễn Đức Tường. Tôi đã hồn thành chương trình học tập và đề tài luận văn

tốt nghiệp: “Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp
220 KV Thái Ngun”.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Ngồi các tài liệu
tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mơ phỏng, thực nghiệm được
thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Tường là trung thực.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019.
Học viên

Ngơ Bá Trình


iii

LỜI CẢM ƠN
Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và làm việc, được sự động viên
giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Đức Tường
luận văn với đề tài: “Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện
Trạm biến áp 220 KV Thái Ngun” đã hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tường đã tận tình chỉ dẫn,
giúp đỡ tác giả hoàn thành được bản luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu khoa học

thực hiện luận văn.
Toàn thể các học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng
nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt
q trình học tập và hồn thành bản luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do trình độ và kinh nghiệm cịn
nhiều hạn chế nên có thể luận văn vẫn cịn gặp phải một vài thiếu sót. Tác giả
rất mong rằng sẽ nhận được những đóng góp ý kiến từ các thầy cô giáo và
các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019.
Học viên

Ngô Bá Trình


iv

MỤC LỤC
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT...........................................viii
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN.......................................................................................................6
I. GIỚI THIỆU CHUNG....................................................................................6
II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN7
II.1. Quá điện áp tạm thời..............................................................................7
II.2. Quá điện áp quá độ................................................................................9
III. QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI - HIỆU ỨNG
FERRANTI......................................................................................................... 10
IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT...................................................................................... 12
IV.1. Tham số của phóng điện sét................................................................ 13
IV.2. Phân bố đỉnh và độ dốc đầu sóng dịng điện sét.................................. 17

IV.3. Quá điện áp khí quyển trên đường dây tải điện................................... 18
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.................................................................................... 21
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI

NGUYÊN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN................22
I. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN......................22
I.1. Vai trò của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên....................................... 22
I.2. Thông số máy biến áp............................................................................ 25
I.3. Thông số kháng điện............................................................................. 26
I.4. Thông số tụ điện.................................................................................... 27
I.5. Thông số chống sét van......................................................................... 28
II. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN SÓC SƠN-THÁI NGUYÊN..29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.................................................................................... 30
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN

31
VÀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN................................................ 31


v

I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP VÀ Mễ UN
ATPDRAW.......................................................................................................... 31
I.1. Ch-ơng trình ATP-EMTP..................................................................... 31
II. Mễ PHNG NG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN SÓC SƠN...............38
II.1. Giới thiệu............................................................................................. 38
II.2. Mơ hình đường dây nghiên cứu q điện áp đóng cắt..........................38
II.3. Mơ hình trạm biến áp 220 kV Thái Ngun......................................... 43
II.4. Cài đặt thơng số chương trình ATPDraw.............................................. 48
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.................................................................................... 51

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ Q

ĐIỆN ÁP ĐĨNG CẮT......................................................................................... 52
I. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Q ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN.................................. 52
I.1. Ảnh hưởng của dòng điện sét tới quá điện áp........................................ 52
I.2. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp................................. 53
I.3. Quá điện áp trên đầu cực thiết bị điện trong trạm.................................. 56
I.4. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh.................................. 57
I.5. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ....................................... 58
II. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Q ĐIỆN ÁP ĐĨNG CẮT..................................59
II.1. Biến thiên của quá điện áp................................................................... 60
II.2. Phân bố điện áp theo phương pháp thống kê........................................ 60
II.3. Phân bố của quá điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây.................62
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 88


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Nội dung hình
Hình 1. 1: a) Sơ đồ ngun lý đóng đường dây dài khơng tải vào nguồn
điện áp xoay chiều;
b) Sơ đồ thay thế hình Π của đường dây L.
Hình 1. 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx).
b) Sơ đồ thay thế tương đương hình Π của vi phân dx. c
Hình 1. 3: Biến thiên của dịng điện trong khe sét
Hình 1. 4: Sét đánh vào dây dẫn pha
Hình 1. 5: Sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét
Hình 2. 1: Sơ đồ nhất thứ của trạm

Hình 2. 2: Sơ đồ mạch vịng 220 kV
Hình 3. 1: Mơ hình đường dây 220 kV Thái Ngun-Sóc Sơn.
Hình 3. 2: Mơ hình nguồn
Hình 3. 3: Mơ hình đường dây Thái Ngun-Sóc Sơn
Hình 3. 4: Thơng số đường dây 220 kV Thái Ngun-Sóc Sơn
Hình 3. 5: a. Mơ hình máy cắt; b. Dữ liệu máy cắt.
Hình 3. 6: Mơ hình trạm biến áp 220 kV Thái Ngun
Hình 3. 7: Mơ hình cột điện
Hình 3. 8: Mơ hình chuỗi sứ
Hình 3. 9: Mơ hình nguồn sét
Hình 3. 10: Mơ hình dây dẫn pha trong trạm biến áp


Hình 3. 11: Cài đặt thơng số chương trình ATPDraw
Hình 4. 1: Điện áp đầu cực máy biến áp khi sét đánh vào đỉnh cột thứ 2
với dòng điện sét bằng 2 kA


vii

Hình 4. 2: a. Biến thiên của điện áp trên đầu cực AT1 khi dòng điện sét
bằng 31 kA
b. Cấu trúc cột điện của đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn
Hình 4. 3: a. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 với I=50 kA;
b. Đỉnh điện áp trên 3 pha.
Hình 4. 4: a. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 với I=100 kA;
b. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 với I=150 kA
Hình 4. 5:a) Quá điện áp tác dụng lên các thiết bị điện trong trạm biến
áp
b) Đỉnh xung điện áp

Hình 4. 6: Ảnh hưởng của vị trí sét đánh tới tham số của quá điện áp trên AT1
a. Điện áp trên AT1 khi sét đánh tại đỉnh cột từ 1-5;
b. Biến thiên của điện áp đỉnh và thời gian đỉnh trên AT1 theo vị trí sét đánh.

Hình 4. 7: Ảnh hưởng của máy biến áp kiểu tụ tới quá điện áp sét
Hình 4. 8: Điện áp 3 pha tại cuối đường dây tải điện
Hình 4. 9: a. Phương pháp phối hợp cách điện tiêu chuẩn
b.Phương pháp thống kê
Hình 4. 10: Phân bố thống kê điện áp pha A tại thang góp Thái Ngun
Hình 4. 11: Q điện áp trên pha A tại thanh góp Thái Nguyên và thanh
góp Sóc Sơn


viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.

1: Tham số

Bảng 1.

2: Tham số

Bảng 4.

1: Xác suất

Bảng 4.


2: Phân bố


1

PHẦN MỞ ĐẦU
Họ và tên học viên:
Đơn vị công tác:
Cơ sở đào tạo:

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên

Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện
Khoá học:

2017 – 2019
TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN CÁCH ĐIỆN
TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN

Mã ngành:

8520201

Người hướng dẫn:

TS. Nguyễn Đức Tường


1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
Ngày nay, các quốc gia trên thế ngày càng sử dụng rộng rãi các hệ thống điện
cao áp, siêu cao áp và cực cao áp. Chi phí thiết kế cho các hệ thống điện này rất lớn
do chi phí cho phần cách điện tỉ lệ thuận với cấp điện áp[1, 2]. Điều này địi hỏi việc
tính tốn, lựa chọn và phối hợp cách điện phải phù hợp với cấp điện áp vận hành
của hệ thống điện; vừa phải đảm bảo được hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy
vừa phải có mức chi phí cho cách điện ở mức hợp lý[3].
Yêu cầu quan trọng của cách điện dùng trong hệ thống điện (các điện của thiết
bị điện lực, cách điện của đường dây tải điện, cách điện của trạm biến áp) phải chịu
được điện áp làm việc lâu dài (tần số cơng nghiệp), q điện áp đóng cắt (switching
overvoltages) lớn nhất, đồng thời cũng phải chịu được đa số các quá điện áp sét
(lightning overvoltages) mà không gây ra bất kỳ sự cố nguy hiểm nào[4, 5, 6]. Do
đó, việc phân tích, tính tốn các loại q điện áp xuất hiện trong hệ thống điện có
cấp điện áp và cấu trúc cụ thể một cách chính xác là rất quan trọng trong việc thiết
kế, phối hợp cách điện cũng như đánh giá khả năng vận hành của cách điện trong
một hệ thống điện có sẵn. Ngồi ra, việc tính tốn phân tích các loại quá điện áp quá
độ trong hệ thống còn là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống bảo vệ chống sét, hệ
thống bảo vệ và hạn chế quá điện áp nhằm giảm được chi phí thiết kế, chi phí vận
hành cũng như đảm bảo cho hệ thống điện làm việc ổn định và tin cậy[7, 8].


2

Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất
đề tài “Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác dụng lên cách điện Trạm biến áp 220 kV
Thái Nguyên”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để
phân tích và xác định các loại q điện áp có khả năng xuất hiện trong trạm biến áp
do các nguyên nhân khác nhau. Nội dung nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học để
lựa chọn, phối hợp cách điện cũng như đánh giá các tác động của các loại quá điện
áp trong vận hành trạm biến áp 220 kV nói chung và trạm biến áp 220 kV Thái

Nguyên nói riêng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu tổng quan về các loại quá điện áp tác dụng lên cách điện của hệ
thống điện 220 kV. Từ đó, phân tích và tính tốn q điện áp khí quyển và q điện
đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trong quá trình
vận hành.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp trong hệ thống điện và những ảnh

hưởng của quá điện áp tới hệ thống điện.
- Nghiên cứu, tính tốn và phân tích độ lớn của quá điện áp khí quyển mà cách

điện của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên theo độ lớn và độ dốc của dịng điện sét.
- Tính tốn và phân tích độ lớn của q điện áp đóng cắt tác dụng lên cách

điện của trạm biến áp 220 kV Thái Ngun do q trình thao tác đóng cắt đường
dây Thái Nguyên-Sóc Sơn.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu một cách đầy đủ về những nguyên nhân, quy luật và độ lớn của quá
điện áp khí quyển và q điện áp đóng cắt trong hệ thống điện tiêu biểu. Kết quả
nghiên cứu làm cơ sở cho việc nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn và phối hợp cách điện
trong hệ thống điện 220 kV nói riêng và mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống điện ở
các cấp điện áp khác. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cịn làm cơ sở cho việc phân tích và
thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét và các phương án bảo vệ quá điện áp.



3

3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chun dụng ATP-EMTP trong việc phân
tích, tính tốn các quá trình quá độ điện từ cho hệ thống điện phức tạp.
- Xác định được độ lớn và sự biến thiên của quá điện áp khí quyển tại các

điểm nút bất kỳ trong trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên do sét đánh vào đường dây
220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn lan truyền vào trong trạm biến áp.
- Nghiên cứu hành vi của quá điện áp đóng cắt xuất hiện khi thao tác đóng cắt

đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn và xác định được độ lớn của quá điện áp
lớn nhất lan truyền vào trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên.
- Là cơ sở khoa học cho việc thiết kế cách điện và phối hợp cách điện trong

trạm biến áp 220 kV hợp lý nhằm đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật cũng như giảm
được chi phí thiết kế.
- Là cơ sở khoa học để thiết kế, vận hành và đưa ra các giải pháp bảo vệ quá

điện áp trên đường dây tải điện, trạm biến áp và đánh giá khả năng chịu đựng quá
điện áp của cách điện trong vận hành, từ đó đề ra quy trình, kế hoạch vận hành
đường dây và trạm biến áp nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện cũng như
đảm bảo vận hành hệ thống ổn định và tin cậy.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình quá độ điện từ trường do sét đánh và do các thao tác
đóng cắt (sự cố hoặc theo kế hoạch) đường dây tải điện trên khơng 220 kV Thái
Ngun-Sóc Sơn gây lên quá điện áp trong Trạm biến áp 220KV Thái Nguyên.
Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu tổng quan về các nguyên nhân
xuất hiện quá điện áp; nghiên cứu những ảnh hưởng của quá điện áp tới trang thiết
bị điện cũng như vận hành hệ thống điện; nghiên cứu việc ứng dụng các kết quả

phân tích, tính tốn độ lớn của q điện áp trong việc phối hợp cách điện trong trạm
biến áp. Việc phân tích, tính tốn độ lớn và q trình biến thiên của quá điện áp
được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng để mơ phỏng và tính tốn trên đối
tượng thực là đường dây tải điện và trạm biến áp 220 kV.


4

5. Nội dung 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 cơng bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu
hướng dẫn, các bộ tiêu chuẩn IEC, IEEE và bộ tiêu chuẩn Việt Nam thuộc phạm vi
nghiên cứu.
- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tế tại trạm biến áp 220 kV Thái
Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn.
- Nội dung chính của đề tài dự kiến có các nội dung chính như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp trong Hệ thống điện

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về trạm biến áp 220 kV Thái Ngun và
đường dây 220 kV Thái Ngun-Sóc Sơn
Chương 3: Mơ phỏng trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV
Thái Nguyên-Sóc Sơn bằng phần mềm ATPDraw
Chương 4: Kết quả mơ phỏng q điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt
trong trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên
6. Phương pháp nghiên cứu


Ứng dụng phần mềm ATP-EMTP để phân tính, tính tốn đối tượng thực tế.
7. Kế hoạch thực hiện
Nội dung đề tài được thực hiện theo kế hoạc như sau:
Thời gian
8/2018

9/2018


10/2018-

12/20183/2019


6

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
I. GIỚI THIỆU CHUNG.
Quá điện áp (overvoltage) là điện áp giữa dây dẫn pha và đất (pha-đất), giữa
dây dẫn pha với pha (pha-pha) hay dọc theo chiều dài của cách điện, có giá trị đỉnh
lớn hơn biên độ của điện áp pha lớn nhất của hệ thống hay thiết bị điện. Quá điện áp
trong hệ thống điện được phát sinh do các nguyên nhân nội tại như các thao tác
đóng cắt, sự cố, sa thải phụ tải hay do cộng hưởng được gọi chung là quá điện áp
nội bộ; quá điện áp phát sinh do các tác động từ bên ngoài như sét đánh được gọi là
quá điện áp khí quyển hay quá điện áp sét.
Độ lớn của quá điện áp thường lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất cho phép của
mạng lưới điện hay thiết bị điện, do vậy cần phải có các biện pháp hạn chế quá điện
áp và bảo vệ chống lại các nguy cơ làm hư hỏng thiết bị điện hoặc rối loạn sự làm
việc bình thường của hệ thống điện.

Các quá điện áp nội bộ thơng thường khó nhận biết và phát hiện. Trong các
nhật ký vận hành khi ghi về các nguyên nhân sự cố thì quá điện áp nội bộ không
được nhắc tới trong các nguyên nhân liệt kê. Nhiều nước trên thế giới như Nga, Mỹ,
Pháp...việc đo các quá điện áp nói chung và quá điện áp nội bộ nói riêng được thực
hiện bằng các thiết bị có tên là "Thiết bị tự động đo ghi và phân tích xung quá điện
áp“. Các thiết bị này được đặt trên thanh cái các trạm biến áp nhờ đó mà người ta có
thể xác định được các dao động điện áp, mức độ quá điện áp. Từ đó có những
phương thức vận hành và bảo vệ phù hợp để đảm bảo độ tin cậy cũng như an toàn
cho việc truyền tải và cung cấp điện.
Nước ta các cơng trình và đề tài nghiên cứu sâu về quá điện áp còn hạn chế.
Cho đến nay chưa đầu tư các loại thiết bị để đo ghi quá điện áp khí quyển và quá
điện áp nội bộ cũng như các phương tiện đo đạc khảo sát, theo dõi, phân loại và
thống kê để đánh giá cụ thể về tỉ lệ sự cố, mức độ thiệt hại do quá điện áp nội bộ
gây ra trong hệ thống điện.
Khi thiết kế thiết bị điện, mạng lưới điện, trạm biến áp hay nhà máy điện, việc
lựa chọn, phối hợp cách điện phù hợp để vận hành lâu dài là một trong các vấn đề


7

được quan tâm kỹ lưỡng đặc biệt là trong mạng điện truyền tải. Việc lựa chọn và
phối hợp cách điện phải dựa vào đặc tính của cách điện (chủng loại, cường độ cách
điện), mức độ quá điện áp phát sinh của hệ thống tác động lên cách điện (quá điện
áp nội bộ, quá điện áp sét), đồng thời xem xét tới các vấn đề bảo vệ quá điện áp
(chủng loại, số lượng, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ) và điều kiện mơi trường. Tiêu chí
lựa chọn cách điện theo điện áp phải đảm bảo nguyên tắc là cường độ cách điện
phải lớn hơn các loại quá điện nội bộ, đồng thời chịu được đa số quá điện áp sét
(q đ0iện áp khí quyển), cịn một số ít q điện áp sét có biên độ lớn phải sử dụng
các thiết bị bảo vệ để hạn chế. Mặc dù toàn bộ cách điện đã được lựa chọn, phối hợp
như trên, nhưng khi tăng số lần quá điện áp tác động lên cách điện thì cũng tăng

tương ứng xác suất sự cố trên cách điện đó. Hiệu ứng tích luỹ là một trong những
nguyên nhân đánh thủng cách điện. Mặc dù quá điện áp nội bộ thường nhỏ hơn
nhiều so với điện áp đánh thủng tần số cơng nghiệp nhưng nó là nguyên nhân dẫn
đến sự tiến triển các khuyết tật cục bộ của cách điện. Cùng với sự già hoá cách điện
và tính chất tích luỹ các tác động như vậy, dần dần sẽ đánh thủng cách điện ngay cả
khi quá điện áp nội bộ nhỏ hơn nhiều so với điện áp đánh thủng.
AI. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

II.1. Quá điện áp tạm thời
Quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage_TOV) là quá điện áp ở tần số cơng
nghiệp có thời gian tác động tương đối dài (từ 30 ms tới 3600 s).Quá điện áp tạm
thời là một thông số quan trọng để lựa chọn chống sét van (ngoại trừ quá điện áp
cộng hưởng và cộng hưởng từ).
Quá điện áp tạm thời phát sinh do các nguyên nhân sau:
- Sự cố chạm đất: khi có sự cố pha-đất sẽ gây ra quá điện áp trên các pha không

sự cố (pha lành). Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc vào vị trí sự cố và phương

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


8
- Sa thải phụ tải:khi cắt phụ tải, quá điện áp sẽ phát sinh, độ lớn của quá áp

phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống sau khi cắt tải và đặc tính của nguồn (ví dụ như
tốc độ hay điều chỉnh điện áp của máy phát ở thời điểm cắt tải).Ngay sau khi cắt tải,

điện áp trên điện cực của máy cắt (phía nối với nguồn) sẽ tăng, mức độ tăng phụ
thuộc vào tải và công suất ngắn mạch của xuất tuyến. Để xác định chính xác độ lớn
của q điện áp thì cần tính tốn dựa trên cơ sở phân tích q trình q độ điện từ
được thực hiện bằng máy tính hoặc ứng dụng chương trình ATP-EMTP. Tuy nhiên,
trong tính tốn thực dụng thì có thể áp dụng như sau:
+ Các đường dây có chiều dài trung bình, nếu cắt tồn bộ tải thì điện áp pha
tăng tới 1,2 p.u. Thời gian quá áp phụ thuộc vào các thiết bị điều chỉnh điện áp trong
mạng và có thể tới vài phút.
+ Các đường dây dài, nếu cắt tồn bộ tải thì điện áp pha có thể tăng tới 1,5 p.u.

Thời gian quá áp tới vài giây.
+ Khi sa thải phụ tải của của máy biến áp tăng áp nối với máy phát thì quá áp

tạm thời tăng tới 1,4 p.u đối với các máy phát tuabin và tới 1,5 p.u đối với các máy
phát thủy điện. Thời gian quá áp khoảng 3 giây.
- Cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ: Trong hệ thống điện khi có sự thay đổi
đột ngột về cấu trúc (như sa thải phụ tải, cắt máy biến áp 1 pha ở cuối đường dây
hay cắt máy biến điện áp kiểu tụ đặt trên thanh góp của trạm biến áp) sẽ có sự tương
tác giữa thành phần điện dung (của đường dây, cáp, tụ điện) và thành phần điện cảm
(của máy biến áp, cuộn kháng song song) gây ra quá điện áp cộng hưởng hoặc cộng
hưởng sắt từ. Độ lớn của quá điện áp này có thể lớn hơn 3,0 p.u. và tồn tại tới khi nó
được giải trừ.
- Đóng đường dây hoặc máy biến áp: Khi đóng đường dây hoặc máy biến

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



9
- Hịa đồng bộ:Trong khi hịa đồng bộ có thể gây ra quá điện áp tác dụng lên

cách điện dọc (tiếp điểm của thiết bị đóng cắt). Độ lớn của quá điện áp này thường
bằng khoảng 2 lần điện áp pha và tồn tại trong khoảng vài giây đến vài phút.
II.2. Quá điện áp quá độ
Quá điện áp quá độ (Transient Overvoltages) tồn tại trong thời gian ngắn vài
mini giây hoặc ngắn hơn, dao động hoặc không dao động và thường gây ra thiệt hại
lớn. Quá điện áp quá độ được chia thành các loại như sau:
- Quá điện áp đầu sóng ít dốc (Slow-Front Overvoltage_SFO): thường phát

sinh do các thao tác đóng cắt (đóng đường dây, cáp, giải trừ sự cố ngắn mạch, sa
thải phụ tải, cắt dòng điện điện dung hoặc dòng điện điện cảm). Quá điện áp là loại
một chiều, với thời gian đầu sóng (thời gian đỉnh) từ 20 µs đến 5000 µs và thời gian
sóng (thời gian nửa đỉnh) tới 20 ms. SFO phát sinh do các nguyên nhân như sau:
Đóng hay đóng lặp lại đường dây tải điện trên không hoặc đường dây cáp gây
ra quá điện áp trên cả 3 pha. Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc chủ yếu vào
tốc độ cắt và khả năng dập tắt hồ quang của của máy cắt, bội số quá áp thường
khoảng 2 p.u.. Loại quá điện áp này thường được gọi là quá điện áp đóng cắt
(Swiching Overvoltagres).
Sự cố hay giải trừ sự cố gây ra quá điện áp với bội số quá áp thường lớn hơn 2
p.u. và phụ thuộc chủ yếu vào phương thức nối đất của hệ thống điện. Trong trường
hợp chung, bội số quá áp tính bằng (2k-1) p.u., trong đó k là hệ số nối đất.
Sa thải phụ tải tạo ra điện áp cưỡng bức tác dụng lên các phía của tiếp điểm
máy cắt. Quá điện áp loại này thường có giá trị lớn và phải được hạn chế bằng
chống sét van.
Cắt dòng điện điện cung hoặc dòng điện điện cảm sẽ gây lên quá điện áp tại vị trí
đặt tụ điện, điện kháng cũng như gây quá điện áp tại cuối đường dây và máy biến áp.
- Quá điện áp đầu sóng dốc(Fast-Front Overvoltage_FFO): quá điện áp đầu


sóng dốc được phát sinh do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn pha của đường dây tải điện

trên khơng; do phóng điện ngược từ xà, cột vào dây dẫn pha hoặc đánh gần đường
dây hoặc thiết bị điện. FFO là loại điện áp một chiều biên độ lớn, thời gian đỉnh từ
0,1 µs đến 20 µs và thời gian nửa đỉnh tới 300 µs.


10
- Quá áp đầu sóng rất dốc(Very Fast-Front Overvoltage_VFFO): là loại điện

áp một chiều, thời gian đỉnh tới 0,1 µs, có hoặc khơng có dao động ở tần số từ 30
kHz tới 100 MHz. Loại quá điện áp thường phát sinh trong trạm GIS (Gas Insulated
Substations) do cắt ngắn mạch hay cắt động cơ, máy biến áp hoặc do sét đánh.
III. Q ĐIỆN ÁP DO ĐĨNG ĐƯỜNG DÂY KHƠNG TẢI - HIỆU ỨNG FERRANTI

Hiệu ứng Ferranti trong hệ thống điện là hiện tượng tăng điện áp ở cuối đường
dây tải điện có chiều dài lớn hoặc trên đường dây cáp so với điện áp tại đầu đường
dây khi đóng đường dây không tải (hay non tải) vào nguồn điện hoặc khi sa thải phụ
tải. Hiện tượng do quá trình nạp điện của điện dung đường dây qua điện kháng của
đường dây gây ra[9, 10].Hiệu ứng Ferrati được quan sát lần đầu tiên vào năm 1887
do Sebastian Ziani de Ferranti khi nghiên cứu đường dây cáp của mạng điện phân
phối ở cấp điện áp 10 kV.
Khi đóng đường dây truyền tải vào nguồn điện áp uS=Umsinωt như Error! R
eference source not found.

a)

b)

uS


G0

Hình 1. 6: a) Sơ đồ ngun lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn điện áp xoay chiều;
b) Sơ đồ thay thế hình Π của đường dây L.
- Xét vi phân chiều dài đường dây (dx) ta có sơ đồ như Error! Reference source

n ot found.:

a)

b)


Hình 1. 7: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx).
b) Sơ đồ thay thế tương đương hình Π của vi phân dx. c


11

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

∂u

−

∂





∂i(


−





∂x

Hệ phương trình có thể viết dưới dạng tốn tử Laplace sẽ là:
∂U(x, p)

−

∂x





∂I(x, p)


−






∂x

Nghiệm của hệ phương trình có dạng:
U(x, p) = A(p).e
I(x, p) =

A(p)

.e

−γ (p)x

−γ (p)x

ZS (p)

−

+ B(p).e
B(p)

.e

γ(p)x

γ(p)x


ZS (p)

Điện áp và dịng điện tại cuối đường dây (x=l) có dạng:
U( , p) = A(p).e

−γ (p)




I(

, p) =






A(p) =



1[

]

γ(p)


U( , p) + I( , p).Z (p) .e
S

2



1
−γ(p)
B(p) = 2 [U( , p) − I( , p).ZS (p) ].e

(1.1')
(1.2 ')


(1.3)
(1.4)

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


IS = I R .cosh( γ ) + U R .Y S.sinh( γ )
Trong đó: Z = R + jωL là tổng trở của đường dây trên đơn vị dài;
Y = G + jωC là tổng dẫn của đường dây trên đơn vị dài;
l là chiều dài của đường dây;


12


US, IS là điện áp và dòng điện ở đầu đường dây (đầu phát);
UR, IR là điện áp và dòng điện ở cuối đường dây (đầu nhận);


= Z.Y = (R + jωL)(G + jωC) là hệ số truyền sóng;

Z =
S

1

Y =
S

; ω = 2 πf ;

Z
S

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

=

U
R0

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

∆U= UR − US

Hiện tượng tăng điện áp này được gọi là hiệu ứng Ferranti.
IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT
Sét đánh vào đường dây tải điện trên không (DZK) là nguyên nhân chính gây
ra quá điện áp quá độ trong hệ thống điện. Quá điện áp phát sinh do nguyên nhân
này thường được gọi là quá điện áp sét (Lightning Overvoltages) hay quá điện áp
khí quyển (Atmospheric overvoltages). Biên độ và độ dốc đầu sóng của điện áp lớn
(độ dốc đầu sóng rất dốc) gây nguy hiểm cho cách điện ngang và cách điện dọc của
hệ thống, có thể gây sự cố ngắn mạch làm gián đoạn cung cấp điện, giảm độ tin cậy


và gây mất ổn định hệ thống. Do đó, khi thiết kế đường dây tải điện, trạm biến áp và
các thiết bị bảo vệ cần nghiên cứu kỹ lưỡng về quá điện áp sét [11, 12].
Quá điện áp sét trên đường dây tải điện là do sét đánh trực tiếp vào đường dây
(sét đánh vào dây chống sét, đỉnh cột hoặc đánh vào dây dẫn pha). Quá điện áp lan
truyền dọc đường dây và có thể gây lên phóng điện trên cách điện đường dây. Đặc điểm
của quá điện áp do sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét gây lên phóng điện ngược
vào dây dẫn pha thường có độ dốc rất lớn. Trong trường hợp vị trí bị sét đánh


13

xa trạm biến áp thì biên độ cũng như độ dốc đầu sóng suy giảm trong q trình lan
truyền trên đường dây do tổn hao. Nếu vị trí bị sét đánh gần trạm, thì cách điện
trong trạm là nguy hiểm nhất do điện áp truyền vào trong trạm là dạng sóng cắt có
độ dốc thẳng đứng và biên độ lớn. Quá trình lan truyền (phản xạ, khúc xạ) của quá
điện áp tới có thể làm tăng biên độ của quá điện áp do các thiết bị điện và dây dẫn
trong trạm biến áp có tổng trở sóng khác nhau (như trạng thái máy cắt đóng/mở,
máy biến điện áp đo lường, dây dẫn, máy biến áp…)

Đối với trạm biến áp, việc tính tốn bảo vệ chống sét thường áp dụng 3 cấp
bảo vệ, bao gồm:
- Bảo vệ cấp 1: hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét trực tiếp vào các

thiết bị và các phần tử của hệ thống điện.Bảo vệ loại này thường sử dụng hệ thống
chống sét bao gồm cột chống sét hoặc dây chống sét.
- Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt tới giới hạn an tồn cho

cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp và nhà máy điện. Bảo vệ loại này
thường sử dụng chống sét van và/hoặc phối hợp với tụ điện, cáp...
- Bảo vệ cấp 3: bảo vệ quá điện áp cảm ứng cho các thiết bị điện áp thấp, điện

tử, hệ thống máy tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu... do sét
đánh gần trạm biến áp.
Mục đích nghiên cứu về quá điện áp sét trên đường dây tải điện là để xác định
suất phóng điện (FOR- Flashover Rate) để lựa chọn chống sét van đường dây, còn
đối với trạm biến áp là để tính tốn tần suất sự cố trung bình (MTBF-Mean Time
Between Failures) nhằm lựa chọn chống sét van (số lượng, chủng loại) và vị trí đặt
tối ưu, đồng thời xác định khoảng cách cách điện tối thiểu pha-đất, pha-pha.
IV.1. Tham số của phóng điện sét
Phóng điện sét là một hiện tượng vật lý, dòng điện sét là một dạng dòng điện
xung xảy ra trong khoảng thời gian ngắn bao gồm một chuỗi phóng điện kế tiếp.
Một dạng sóng dịng điện sét phổ biến có dạng như Hình 1. 9: Biến thiên của dịng
điện trong khe sét, bao gồm phần đầu sóng là giai đoạn dịng điện sét tăng nhanh từ 0

đến đỉnh trong khoảng thời gian từ vài micro giây tới khoảng 20 µs, tương ứng với thời
điểm phóng điện ngược, và phần thân sóng là giai đoạn dịng điện giảm dần về khơng