Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống năng lượng quốc gia, trạm biến áp và đường dây truyền tải điện áp cao giữ vai trò then chốt trong việc truyền tải và phân phối điện năng liên tục phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Sự cố gián đoạn cung cấp điện do dông sét trên lưới điện cao áp không chỉ gây hư hỏng thiết bị đắt tiền như máy biến áp lực, chuỗi cách điện mà còn có nguy cơ gây rã lưới và mất ổn định hệ thống. Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa có mật độ dông sét cao và diễn biến phức tạp theo từng vùng địa lý. Vì vậy, việc tính toán, thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, hệ thống nối đất an toàn - chống sét và tính toán lan truyền sóng quá điện áp là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc trong thiết kế trạm biến áp.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho TBA 220kV Cao Bằng và tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220kV - Chuyên đề tính sóng truyền từ đường dây 220kV vào Trạm biến áp" do sinh viên Bùi Hà An thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Thị Thanh Đam (Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực) tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Thiết kế hệ thống cột thu lôi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho toàn bộ diện tích và các phân khu thiết bị của Trạm biến áp 220kV Cao Bằng.
  2. Thiết kế và tính toán hệ thống nối đất làm việc, nối đất an toàn và nối đất chống sét nhằm tản nhanh dòng điện sét, hạn chế quá điện áp xung kích tác dụng lên cách điện máy biến áp.
  3. Tính toán các chỉ tiêu chống sét của đường dây truyền tải 220kV (suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét, sét đánh vào khoảng vượt và sét đánh đỉnh cột).
  4. Thực hiện chuyên đề tính toán quá trình truyền sóng quá điện áp khí quyển từ đường dây vào trạm biến áp bằng sơ đồ đẳng trị Petersen, kiểm tra độ an toàn cách điện của máy biến áp và chuỗi sứ thanh góp dưới tác dụng của chống sét van.
  • Đối tượng nghiên cứu: Trạm biến áp 220kV Cao Bằng (gồm 2 máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2) và tuyến đường dây truyền tải 220kV đấu nối vào trạm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mặt bằng trạm có kích thước $120\text{ m} \times 175\text{ m}$, cấp điện áp 220kV và 110kV, kết cấu thanh xà phân phối ngoài trời, điều kiện địa chất có điện trở suất đất $\rho = 110,\Omega\text{m}$, dữ liệu khí tượng dông sét tại Việt Nam và khu vực miền núi phía Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Lý thuyết phóng điện sét và vùng bảo vệ: Mô hình phát triển dòng phóng điện sét theo giai đoạn phóng điện tiên đạo (tốc độ $1,5 \times 10^7\text{ cm/s}$) và phóng điện ngược. Công thức tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi đơn, nhóm 2 cột, cụm nhiều cột và dây chống sét theo phương pháp đường sinh gãy khúc và đa giác đỉnh, có xét hệ số hiệu chỉnh $p$ khi chiều cao công trình lớn hơn 30m.
  • Lý thuyết hệ thống nối đất và tổng trở xung kích: Mô hình mạch vòng nối đất chôn sâu kết hợp phương pháp đường dây dài (phân bố tham số điện cảm $L_0$, điện dẫn tản $G_0$). Phương trình vi phân truyền sóng trên điện cực nối đất kéo dài với dòng điện sét dạng xung tam giác/xiên góc $i(0, t) = a \cdot t$, giải bằng chuỗi hàm mũ để tìm tổng trở xung kích $Z_{xk}(0, \tau_{ds})$.
  • Lý thuyết quá sóng điện từ và sơ đồ Petersen: Quy tắc sóng đẳng trị, sơ đồ thay thế Petersen xác định điện áp trên điện dung ký sinh của thiết bị và đặc tính phi tuyến V-A của chống sét van (CSV).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng hệ thống công thức giải tích theo Quy trình quy phạm kỹ thuật điện cao áp để xác định bán kính bảo vệ $r_x, r_{0x}$, chiều cao hiệu dụng $h_a$, điện trở nối đất tự nhiên $R_{TN}$, điện trở nối đất nhân tạo $R_{NT}$ và tổng trở xung kích $Z_{xk}$.
  • Phương pháp so sánh phương án kỹ thuật - kinh tế: Đề xuất các phương án bố trí cột thu lôi và cấu trúc mạch vòng nối đất, đánh giá độ an toàn bảo vệ và tối ưu hóa tổng khối lượng kim loại sử dụng.
  • Phương pháp đồ thị và sơ đồ thay thế nút: Giải phương trình siêu việt tìm nghiệm riêng phân bố sóng và xây dựng sơ đồ thay thế sóng tại các nút phản xạ/khúc xạ trong trạm biến áp.

Nguồn dữ liệu

  • Bản vẽ mặt bằng phân bố thiết bị, độ cao xà và kích thước hình học Trạm biến áp 220kV Cao Bằng.
  • Số liệu đo đạc thực tế điện trở suất của đất tại hiện trường trạm ($\rho_đ = 110,\Omega\text{m}$).
  • Thông số kỹ thuật đường dây: Dây chống sét loại C-70 ($r_0 = 2,38,\Omega/\text{km}$), khoảng vượt đường dây 220kV ($l_{220} = 300\text{ m}$), đường dây 110kV ($l_{110} = 250\text{ m}$), số lộ ra vào trạm (4 lộ 220kV, 10 lộ 110kV).
  • Tiêu chuẩn cách điện xung kích: Mức cách điện xung kích nhỏ nhất của máy biến áp $U_{50%MBA} = 460\text{ kV}$ (phía 110kV) và $1050\text{ kV}$ (phía 220kV).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bảo vệ chống sét và nối đất cho Trạm biến áp 220kV Cao Bằng được triển khai theo các thông số kỹ thuật chi tiết sau:

[Mặt bằng TBA: 120m x 175m]
          -> Z_xk = 2,989 Ω -> U_xk = 448,356 kV (< 460 kV)
Hạng mục thiết kế Quy cách vật liệu / Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán Tiêu chuẩn kiểm tra
Kim thu sét phía 220kV Thép tròn, đặt trên xà và cột độc lập Chiều cao $h = 22,5\text{ m}$ Bảo vệ xà cao nhất $h_x = 16,5\text{ m}$
Kim thu sét phía 110kV Thép tròn, đặt trên xà trạm Chiều cao $h = 16,5\text{ m}$ Bảo vệ xà cao nhất $h_x = 10,5\text{ m}$
Mạch vòng nối đất chính Thép dẹt $50\times5\text{ mm}$, chôn sâu $0,8\text{ m}$ Kích thước $173\text{ m} \times 118\text{ m}$ Điện trở $R_{NT} = 0,332,\Omega$
Điện trở nối đất tổng hợp Ghép song song nối đất tự nhiên và nhân tạo $R_{HT} = 0,146,\Omega$ Quy chuẩn $R_{HT} \le 0,5,\Omega$
Nối đất bổ sung chống sét Thanh thép dẹt 8m kết hợp 3 cọc góc $50\times50\times5\text{ mm}$ (dài 3m) $Z_{xk} = 2,989,\Omega$ $U_{xk} = 448,356\text{ kV} < 460\text{ kV}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện Việt Nam

Chương I tổng quan bản chất vật lý của quá trình phóng điện dông sét từ mây xuống đất thông qua các giai đoạn: phát triển tia tiên đạo, tập trung điện tích cục bộ do điện dẫn của đất và hình thành dòng phóng điện ngược mang biên độ từ vài kA đến hàng trăm kA.

Tác giả tổng hợp dữ liệu thống kê hoạt động dông sét tại các miền địa lý Việt Nam: miền Bắc có số ngày dông dao động lớn, tập trung nhiều nhất ở Móng Cái - Tiên Yên (Quảng Ninh); khu vực chuyển tiếp đồi núi có thể đạt 200 lần sét/năm (100 ngày dông/năm), trong khi Quảng Bình có mật độ thấp nhất (khoảng 80 ngày dông/năm). Miền Nam ghi nhận số ngày dông cao như TP. Hồ Chí Minh (138 ngày/năm), Hà Tiên (129 ngày/năm) với mùa dông kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11.

Chương này phân tích các tác động nguy hiểm của dòng sét lên thiết bị điện: tác dụng nhiệt gây nóng chảy dây dẫn, lực điện động phá hủy cơ học sứ cách điện, trường điện từ gây nhiễu mạch điều khiển, quá điện áp lan truyền trên đường dây dẫn tới ngắn mạch chạm đất, rã lưới hoặc chọc thủng cách điện máy biến áp.

Chương II: Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp 220kV Cao Bằng

Chương II trình bày các yêu cầu kỹ thuật bố trí kim thu sét trên kết cấu xà của trạm biến áp cấp điện áp $\ge 110\text{kV}$, đảm bảo khoảng cách dẫn điện vào hệ thống nối đất và khoảng cách an toàn không khí lớn hơn chiều dài chuỗi sứ cách điện. Quy định khoảng cách nối đất giữa cột thu lôi và vỏ máy biến áp theo đường dẫn điện phải lớn hơn 15m. Tác giả xây dựng và so sánh 2 phương án bố trí cột thu sét:

  • Phương án 1: Bố trí 25 cột thu lôi (phía 220kV có 16 cột gồm 10 cột trên xà 16,5m, 5 cột trên xà 10,5m, 1 cột độc lập; phía 110kV có 9 cột gồm 6 cột trên xà 10,5m, 3 cột trên xà 8m). Qua tính toán đa giác đỉnh, xác định độ cao hiệu dụng chung $h_{a\max} = 6\text{ m}$, dẫn đến chiều cao cột phía 220kV là $h = 22,5\text{ m}$ và phía 110kV là $h = 16,5\text{ m}$.
  • Phương án 2: Bố trí 42 cột thu lôi (phía 220kV có 25 cột; phía 110kV có 17 cột). Độ cao hiệu dụng lớn nhất $h_{a\max(220)} = 4,75\text{ m}$ ($h = 21,5\text{ m}$) và $h_{a\max(110)} = 4,48\text{ m}$ ($h = 15\text{ m}$).
Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 Phương án 2
Số lượng cột thu lôi (cột) 25 42
Chiều cao cột phía 220kV (m) 22,5 21,5
Chiều cao cột phía 110kV (m) 16,5 15,0
Tổng chiều dài kim thu sét (m) 192 347
Đánh giá kỹ thuật và kinh tế Chọn thi công (kinh tế, vùng bao phủ an toàn) Loại bỏ (khối lượng thi công lớn)

Chương III: Thiết kế hệ thống nối đất cho TBA 220kV Cao Bằng

Chương III giải quyết bài toán tính toán hệ thống tiếp địa hỗn hợp:

  1. Nối đất an toàn và làm việc: Với mạng trung tính trực tiếp nối đất ($R_{yc} \le 0,5,\Omega$), điện trở nối đất tự nhiên từ các tuyến đường dây đấu nối được tính toán là $R_{TN} = 0,167,\Omega$. Nối đất nhân tạo mạch vòng kín bằng thanh thép dẹt $50\times5\text{ mm}$ chôn sâu $0,8\text{ m}$ quanh trạm (chu vi $L = 582\text{ m}$, tỷ số cạnh $173/118 = 1,466$, hệ số mùa $K_m = 1,6 \rightarrow \rho_{tt} = 176,\Omega\text{m}$) cho điện trở tản $R_{NT} = 0,332,\Omega$. Điện trở tổng hợp toàn trạm đạt $R_{HT} = 0,146,\Omega < 0,5,\Omega$, thỏa mãn tiêu chuẩn vận hành tần số công nghiệp.
  2. Nối đất chống sét: Kiểm tra điều kiện chịu dòng sét xung kích $I_S = 150\text{ kA}$, thời gian đầu sóng $\tau_{ds} = 5,\mu\text{s}$. Khi chỉ dùng mạch vòng đơn, việc giải hệ phương trình truyền sóng cho thấy tổng trở xung kích đầu vào $Z_{\Sigma} = 7,078,\Omega$, gây ra điện áp xung kích $U_{xk} = 1061,7\text{ kV} > U_{50%MBA} = 460\text{ kV}$ (nguy hiểm cho máy biến áp).
  3. Giải pháp nối đất bổ sung: Thiết kế tổ hợp bổ sung tại các chân cột gồm thanh dẹt $50\times5\text{ mm}$ dài 8m kết hợp 3 cọc tiếp địa thép góc $50\times50\times5\text{ mm}$ dài 3m chôn sâu 0,8m ($K_m = 1,25$). Sau khi bổ sung, tổng trở xung kích tương đương giảm xuống $Z_{XKBS} = 2,989,\Omega$, điện áp xung kích đỉnh đạt $U_{xk} = 448,356\text{ kV} < 460\text{ kV}$, bảo đảm an toàn cách điện cho máy biến áp.

Chương IV: Tính toán chỉ tiêu chống sét của đường dây 220kV

Chương IV trình bày lý thuyết và phương pháp xác định suất cắt đường dây tải điện $n_{cđ}$ (số lần cắt điện do sét trên 100 km đường dây trong một năm):

  • Xác định tổng số lần sét đánh vào đường dây dựa trên mật độ sét và diện tích thu sét của dây chống sét.
  • Tính suất cắt do sét đánh vòng qua góc bảo vệ của dây chống sét đánh trực tiếp vào dây dẫn pha.
  • Tính suất cắt khi sét đánh vào khoảng vượt đường dây: xây dựng dạng sóng dòng điện sét, tính quá điện áp tác dụng lên chuỗi sứ $U_{cđ}(a, t)$ và so sánh với đặc tính V-S (vôn-giây) của chuỗi cách điện để tìm xác suất phóng điện.
  • Tính suất cắt khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột: xét ảnh hưởng của sóng phản xạ từ chân cột có điện trở tản $R_c = 12,\Omega$ và hỗ cảm giữa các dây dẫn. Tổng hợp các thành phần để đưa ra chỉ tiêu chống sét tổng thể của đường dây 220kV.

Chương 5: Chuyên đề tính sóng quá điện áp truyền từ đường dây 220kV vào trạm biến áp

Chương 5 nghiên cứu quá trình truyền sóng quá điện áp do sét đánh trên đường dây truyền vào thanh cái trạm biến áp:

  • Áp dụng sơ đồ đẳng trị Petersen tại các nút phân nhánh để tính toán điện áp khúc xạ và phản xạ trên điện dung ký sinh của thiết bị.
  • Mô hình hóa đặc tính phi tuyến V-A của chống sét van (CSV) lắp đặt bảo vệ đầu cực máy biến áp.
  • Lập sơ đồ tính toán cho trường hợp vận hành nguy hiểm nhất, xác định dạng sóng điện áp tác dụng lên chuỗi sứ thanh góp và đầu vào cuộn dây máy biến áp, chứng minh điện áp dư trên chống sét van luôn thấp hơn giới hạn cách điện xung kích cho phép của thiết bị trạm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Đại lượng / Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán Giới hạn cho phép / Tiêu chuẩn Kết luận
Điện trở nối đất tự nhiên $R_{TN}$ $0,167,\Omega$ -- Đóng góp giảm trở kháng
Điện trở nối đất nhân tạo mạch vòng $R_{NT}$ $0,332,\Omega$ $\le 1,0,\Omega$ Đạt yêu cầu
Điện trở nối đất hệ thống tổng hợp $R_{HT}$ $0,146,\Omega$ $\le 0,5,\Omega$ Đạt tiêu chuẩn an toàn
Điện áp xung kích mạch vòng đơn $U_{xk}$ $1061,7\text{ kV}$ $< 460\text{ kV}$ Không đạt yêu cầu chống sét
Tổng trở xung kích sau bổ sung $Z_{XKBS}$ $2,989,\Omega$ -- Giảm $57,8%$ trở kháng
Điện áp xung kích sau bổ sung $U_{xk}$ $448,356\text{ kV}$ $< 460\text{ kV}$ Bảo vệ an toàn cho MBA
Chiều cao hiệu dụng chọn chung $h_{a\max}$ $6,0\text{ m}$ $\ge 5,96\text{ m}$ Bao phủ toàn bộ xà trạm

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Lựa chọn giải pháp bố trí 25 cột thu lôi đặt trực tiếp trên kết cấu xà thép và 1 cột độc lập (Phương án 1), tiết kiệm 155m kim thu sét so với phương án phân tán nhiều cột nhỏ (Phương án 2).
  • Đề xuất giải pháp tăng cường tiếp địa chống sét cục bộ bằng tổ hợp tia - cọc thép góc tại từng chân cột thu lôi thay vì đóng cọc đại trà dọc toàn bộ mạch vòng chu vi, giúp tối ưu chi phí thi công trong điều kiện địa chất đất có điện trở suất $\rho_đ = 110,\Omega\text{m}$.

Đóng góp về mặt phương pháp

  • Ứng dụng đầy đủ phương pháp chuỗi giải tích và đồ thị giải phương trình vi phân đường dây dài để giải bài toán nối đất kéo dài tần số cao, loại bỏ sai số so với các công thức đơn giản hóa thuần trở xoay chiều.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các phép tính toán điện áp xung kích và lan truyền sóng quá điện áp trong đồ án chủ yếu dựa trên các dạng sóng dòng sét tiêu chuẩn dạng xiên góc đơn giản hóa ($i = a \cdot t$, biên độ không đổi $150\text{ kA}$, đầu sóng $\tau_{ds} = 5,\mu\text{s}$), chưa khảo sát đầy đủ tác động của các dạng sóng sét có đuôi sóng suy giảm phi tuyến phức tạp hoặc các cú sét đánh lặp lại liên tiếp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng trong hệ thống điện (như EMTP/ATP) để mô phỏng chi tiết hơn quá trình truyền sóng đa nút phức tạp trong trạm biến áp khi mở rộng các lộ đường dây trong tương lai; nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng ion hóa đất cục bộ xung quanh điện cực cọc tiếp địa khi chịu dòng sét biên độ cực lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện cao áp, cũng như các kỹ sư thiết kế trạm biến áp và đường dây truyền tải:

  • Phần thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp (Chương II): Cung cấp phương pháp chi tiết từng bước chia lưới đa giác đỉnh, tính bán kính bảo vệ cho các cụm xà có độ cao hỗn hợp ($8\text{m}, 10,5\text{m}, 16,5\text{m}$).
  • Phần tính toán nối đất xung kích (Chương III): Là tài liệu mẫu hoàn chỉnh về quy trình tính toán hệ thống tiếp địa phân bố dài, giải chuỗi hàm mũ xác định tổng trở xung kích và thiết kế cọc bổ sung tản dòng sét.
  • Chuyên đề truyền sóng Petersen (Chương 5): Cung cấp các bước lập sơ đồ thay thế nút và phối hợp cách điện giữa chống sét van với cách điện cuộn dây máy biến áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn Phương án 1 (25 cột) thay vì Phương án 2 (42 cột) để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho TBA 220kV Cao Bằng?
Trả lời: Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật bao phủ toàn bộ diện tích trạm tại các độ cao $10,5\text{m}$ và $16,5\text{m}$. Tuy nhiên, Phương án 1 chỉ sử dụng 25 cột với tổng chiều dài kim thu sét là 192m, trong khi Phương án 2 cần tới 42 cột với tổng chiều dài 347m. Phương án 1 tiết kiệm đáng kể vật liệu kim loại, giảm tải trọng cơ học lên xà và thuận tiện hơn trong thi công lắp đặt.

2. Tại sao hệ thống nối đất mạch vòng nhân tạo ban đầu đạt tiêu chuẩn nối đất an toàn nhưng lại không đạt tiêu chuẩn nối đất chống sét?
Trả lời: Mạch vòng nhân tạo thép dẹt $50\times5\text{ mm}$ chu vi 582m cho điện trở tổng hợp tần số công nghiệp $R_{HT} = 0,146,\Omega \le 0,5,\Omega$ (thỏa mãn an toàn làm việc). Tuy nhiên, đối với dòng sét tần số cao ($I_S = 150\text{ kA}, \tau_{ds} = 5,\mu\text{s}$), điện cảm ký sinh của mạch vòng kéo dài làm tổng trở xung kích tăng lên tới $Z_{\Sigma} = 7,078,\Omega$, tạo ra điện áp xung kích $U_{xk} = 1061,7\text{ kV}$, vượt quá mức chịu đựng cách điện nhỏ nhất của máy biến áp ($U_{50%MBA} = 460\text{ kV}$).

3. Quy cách cấu tạo của hệ thống tiếp địa bổ sung tại chân cột thu sét gồm những gì?
Trả lời: Nối đất bổ sung gồm một thanh thép dẹt kích thước $50\times5\text{ mm}$ dài 8m chôn sâu 0,8m kết hợp với 3 cọc tiếp địa bằng thép góc $50\times50\times5\text{ mm}$ dài 3m, các cọc đóng cách nhau một khoảng $a = 3\text{ m}$.

4. Dòng điện sét tính toán và mức chịu đựng cách điện xung kích của máy biến áp trong đồ án là bao nhiêu?
Trả lời: Dòng điện sét tính toán được chọn có biên độ $I_S = 150\text{ kA}$, thời gian đầu sóng $\tau_{ds} = 5,\mu\text{s}$. Mức điện áp phóng điện xung kích $50%$ của máy biến áp được chọn để kiểm tra an toàn là $U_{50%MBA} = 460\text{ kV}$ (tương ứng với cấp điện áp 110kV của máy biến áp tự ngẫu).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Hà An đã giải quyết đầy đủ và nhất quán chuỗi bài toán bảo vệ chống sét cho Trạm biến áp 220kV Cao Bằng, từ thiết kế phạm vi bảo vệ kim thu lôi, tính toán nối đất an toàn - chống sét cho đến tính toán chỉ tiêu đường dây và lan truyền sóng quá điện áp. Kết quả tính toán đã đưa ra các thông số cụ thể: lựa chọn hệ thống 25 cột thu sét tối ưu kinh tế, thiết kế mạch vòng nối đất $R_{HT} = 0,146,\Omega$ kết hợp bổ sung cọc tia chân cột để hạ điện áp xung kích xuống $448,356\text{ kV} < 460\text{ kV}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho máy biến áp lực. Công trình có độ tin cậy kỹ thuật cao, bám sát các quy trình quy phạm ngành điện và là tài liệu tham khảo có giá trị trong lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp và thiết kế trạm biến áp.