I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay tại các khu vực địa lý có mật độ sét đánh cao, có các tuyến đường dây cao áp đi qua thường xuyên xảy ra hiện tượng sét đánh vào đỉnh cột và gây ra hiện tượng phóng điện ngược từ thân cột qua cánh xà, qua các chuỗi cách điện tới dây dẫn các pha gây sự cố mất điện thoáng qua cho các phụ tải. Để khắc phục hiện tượng này nhiều nơi đã sử dụng giải pháp tăng cường cách điện cho các chuỗi cách điện thêm một số bát cách điện. Điều này làm tăng chiều dài của chuỗi cách điện, có khi còn làm ảnh hưởng tới khoảng cách pha- đất. Điều này cũng chưa có đủ cơ sở để khẳng định nó sẽ làm giảm hoàn toàn sự cố do nguyên nhân phóng điện ngược hay không. Để làm rõ điều này trên thế giới đã có nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu bằng thực nghiệm mô phỏng.
Hiện tượng phóng điện ngược được gia tăng đối với các tuyến đường dây dài mạch kép hoặc tuyến đường dây có nhiều ngăn lộ đi chung trên một tuyến cột. Tác động của hiệu ứng phóng điện ngược trên các cột đường dây cao áp được nghiên cứu bởi sự mô phỏng EMTP-ATP. EMTP(Electro-magnetic Transient Program). Các dạng dòng xung của các cú sét được miêu tả bằng cú sét đánh thứ nhất và tuần tự các cú sét đánh tiếp theo. Sử dụng các phương pháp phân tích phóng điện như phương pháp phát triển đầu sóng của Pigini và Môtôyama, phương pháp tích hợp điện áp- thời gian của Kind.
Qua nghiên cứu các nhà chuyên môn đã chứng minh được để làm giảm các hiện tượng phóng điện ngược cho các tuyến đường dây cao áp bằng cách thay thế các chuỗi cách điện bằng các thiết bị chống sét đường dây.
Việc cắt điện do sự cố của các đường dây cao áp đa mạch trên không trong các vùng có mật độ dông sét cao gia tăng. Qua thống kê người ta ghi được trị số dòng sét đánh có trị số max tới 90kA. Việc đo điện trở bước của cột bằng tần số 26KHz có liên quan tới chiều cao của 3 vị trí cột.
Phân tích hiện tượng phóng điện ngược chỉ ra rằng với các cột ở khoảng 5,2 km của tuyến đường dây thì điện áp ngược thường có độ dốc lớn hơn. Độ dốc phóng điện ngược của các chuỗi cách điện đường dây 110kV phụ thuộc vào các các hệ số khác nhau như : điện trở bước của cột, trở kháng sét của cột, chiều cao của cột, và vvv.. Bởi vậy có các phương pháp khác nhau đã thực hiện trước theo kiểu dạng cột, kiểu loại đường dây, các cú sét đánh và phóng điện, cơ cấu của chuỗi cách điện. Từ đó đo lường cho các vị trí cột thực. Các kiểu loại mô phỏng khác nhau cũng được so sánh qua việc thay đổi từng cái để có các kết quả khác nhau.
Việc đo lường ngăn chặn phóng điện ngược được thay một chuỗi cách điện của một cột đường dây mạch kép bằng một chống sét. Mức độ bảo vệ của chống sét cho các cú sét đánh được điều chỉnh bằng phóng điện của chống sét. Chương trình thoáng qua EMTP-ATP với thuật ngữ mô phỏng thông minh MODEL phù hợp cho việc nghiên cứu các hiện tượng phóng điện của đường dây trên không.
II. PHƯƠNG PHÁP MODELING
Các cột đa mạch thường có chiều cao từ 55-88m, hình dạng bên ngoài của cột đỡ có dạng như hình 1. Hai cánh xà trên bên trái và bên phải là đường dây 220kV và 380 kV. Cánh xà dưới cùng là đường dây 110kV mạch kép. Đây là một dạng của đường dây phân bố có tham số cố định (CPDL). Tốc độ truyền của sóng truyền dọc trên cột có trị số ngang tốc độ ánh sáng. Thời gian truyền của sóng trên cột t = h/c, trong đó h là chiều cao của cột, c là tốc độ ánh sáng. Qua nhiều công thức cơ sở tính toán trở kháng sét của cột… người ta đưa ra hình dạng điểm thắt của cột (hình 2) sử dụng công thức :
Với cột cao 76m, Zt-waist = 233Ω. Theo khuyến cáo tại Nhật Bản, các ảnh hưởng phụ thuộc tần số của sóng truyền dọc theo cột, khi trở kháng bước của cột là hiện diện của điện trở tuyến. Với tuyến đường dây có dạng như hình 1 thì phải tính đến mạch song song RL do sóng truyền bị suy giảm và bị làm méo do các cánh xà (hình 3).
Gía trị RL được tính toán phụ thuộc vào trở kháng sét Zt , thời gian truyền sóng t, khoảng cách giữa các cánh xà x1 , x2 , x3 , x4 và hệ số suy giảm ά, và chúng được xác định theo các công thức sau :
III. ĐÁNH GIÁ THỰC HIỆN PHÓNG ĐIỆN NGƯỢC
Lấy mô phỏng bằng một tuyến đường dây có tổng số 19 cột, có dạng cột như hình 2 để đại diện cho tất cả các đường dây trên không. Sử dụng hai nguồn sóng sét 3/77,5μs và 1/30μs để thực nghiệm có biên độ từ 20kA-90kA, dải điều chỉnh 5kA. Nghiên cứu các cú sét đánh trực tiếp vào các cột trong khoảng từ cột số 1 tới số 12 để phân tích và thống kê. Với các dây của các lộ như sau:
- 380 kV: 4 dây/pha, ACSR 265/35 Al/St - 220 kV: 4 dây/pha, ACSR 265/35 Al/St
- 110 kV: 1 dây/pha, ACSR 265/35 Al/St - Dây nối đất: AY/AW 216/33
Qua các kết quả của 3 phương pháp nghiên cứu khác nhau (Kind, Pigini, Motoyama) , người ta tổng hợp và thống kê được các biểu đồ quan hệ như sau:
Hình 4. Dòng đỉnh sét min của sóng 3/77,5 μs nguyên nhân gây phóng điện ngược.
Hình 5. Các dòng đỉnh của sóng 1/30 μs nguyên nhân gây phóng điện ngược.
Qua kết quả hình 4 và hình 5 ta thấy trị số dòng đỉnh sét min tại các vị trí cột của một tuyến đường dây có cùng một biểu đồ phân bố trị số gần giống nhau cho cả 3 phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và các vị trí 3, 4, 5, 8, 9 có số lần xảy ra phóng điện ngược là cao hơn các cột khác. Tại cột số 12 trị số dòng đỉnh min là lớn nhất, tiếp đến các vị trí cột số 6 và số 7. Các cột số 3 và số 8 có trị số bé nhất.
Hình 6. Quan hệ điện trở bước và trở kháng sét của cột.
Hình 7. Quan hệ giữa chiều dài cánh xà và chiều cao của cột.
Qua hình 6 ta thấy quan hệ giữa trở kháng cột và điện trở bước cột không thể hiện một quy luật nào rõ rệt nhưng có 3 vị trí điện trở bước có trị số lớn nhất là vị trí cột số 8, 9,10. Qua hình 7 ta thấy quan hệ giữa chiều cao cột và chiều dài cánh xà là tỷ lệ thuận với nhau.
Ta thấy thời gian duy trì phóng điện của chống sét là rất ngắn, không quá 6μs. Qua hình 9 ta thấy khi trên đường dây có cú sét đánh, mặc dù đã được phóng qua chống sét nhưng cũng đồng thời gây ra các thành phần quá điện áp thuận có dạng tương ứng với dòng phóng của chống sét xảy ra tại các cột lân cận với cột có lắp chống sét trên cùng tuyến đường dây. Thành phần này cũng gây ra hiện tượng phóng điện thuận từ các dây dẫn pha xuyên qua các chuỗi cách điện (tạm gọi đây là hiệu ứng phóng điện thuận do lắp chống sét trên đường dây).
Hình 10 .Dạng sóng của điện áp ngang qua chuỗi cách điện của đường dây110kV với hiện tượng phóng điện thoáng qua tại cột số 2 và số 4 (không lắp chống sét tại các cột này)
Qua hình 10 ta thấy tại các cột không lắp chống sét, khi sét đánh vào đỉnh cột thì sẽ suất hiện quá điện áp có độ lớn biên độ -1,0MV (-1000kV), điện áp này gây phóng điện dọc qua chuỗi cách điện của đường dây 110kV từ cánh xà qua chuỗi cách điện tới dây dẫn (gọi là phóng điện ngược).
IV. KẾT LUẬN
Với một tuyến đường dây truyền tải cao áp (ví dụ 110kV), nếu chúng ta có tăng cường thêm 2-3 bát cách điện cho 1 chuỗi cách điện thì hiện tượng phóng điện ngược vẫn xảy ra tại chính vị trí đó vì khi đó điện áp chịu được xung sét của chuỗi cách điện có giá trị đỉnh khoảng 700kV, trong khi điện áp phóng điện ngược đã dâng lên tới trị số 1000kV. Điều này lý giải tại sao trên một số tuyến đường dây 220kV tại Việt Nam, tuy đã lắp tăng cường thêm cách điện cho các chuỗi cách điện nhưng sự cố do quá điện áp khí quyển vẫn xảy ra.
Để giảm hiện tượng phóng điện ngược trên đường dây truyền tải người ta khuyến cáo nên thay thế chuỗi cách điện bằng một thiết bị chống sét, hoặc lắp song song chuỗi cách điện với thiết bị chống sét. Với các dòng sét có biên độ lớn thì giải pháp này sẽ gây ra hiện tượng suất hiện hiệu ứng phóng điện thuận cho các cột ở gần không được lắp chống sét do năng lượng hấp thụ của chống sét không thoát hết. Điều này lý giải tại sao trên một số tuyến đường dây 220kV tại Việt Nam mặc dù đã được lắp chống sét đường dây nhưng sự cố do quá điện áp khí quyển vẫn xảy ra. Để khắc phục được các hiện tượng trên đòi hỏi ngành điện phải có một giải pháp lắp đặt chống sét đường dây như thế nào ? để mang lại hiệu quả tốt hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. “Experimental Evaluation of a UHV Tower Model for Lightning Surge Analysis”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 10
2. ATP Rule Book, distributed by the European EMTP-ATP Users Group Association, 2005.
3. A Method of a Lightning Surge Analysis Recommended in Japan Using EMTP”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 20
4. “Numerical Electromagnetic Field Analysis of Archorn Voltages During a Back- Flashover on a 500-kV Twin-Circuit Line”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 18, No. 1, pp. 207-213, Jan. 2003.
5. “Simulation of Lightning Overvoltages in Electrical Power Systems”, Proceedings IPST 2001 (International Conference on Power System Transients), Rio de Janerio
6. “Modeling Guidelines for Fast Front Transients”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, pp. 493-506, Jan. 1996.
7. “Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines”, Technical Brochure, October 1991.
8.A Simplified Method for Estimating Lightning Performance of Transmission Lines”, IEEE Trans. on Power App. & Systems, Vol. PAS-104, No. 4, pp. 919-927, April 1985.
9.“Travel Time of Transmission Towers”, IEEE Trans. on Power App. and Systems, Vol. PAS-104, No. 10.
10. “IEEE Working Group Report – Estimating Lightning Performance of Transmission Lines II – Updates to Analytical Models”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, pp. 1254-1267, July 1993.
11.“Experimental study and analysis of breakdown characteristics of long air gaps with short tail lightning impulse”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 11, No. 2, pp. 972-979, April 1996.
12. “Performance of large air gaps under lightning overvoltages: Experimental study and analysis of accuracy of predetermination
methods”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 4, No. 2, pp. 1379-1392, April 1989.
13. “Statistical Study of the Lightning Overvoltages at a Gas Insulated Station
14. Các bài viết của các tác giả khác trên thế giới.