Tổng quan luận án

Tình trạng sự cố do giông sét trên hệ thống lưới truyền tải điện trên không là nguyên nhân chính gây gián đoạn cung cấp điện tại nhiều quốc gia, đặc biệt tại các khu vực có hoạt động giông sét mạnh như Việt Nam. Thống kê của Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (NPT) và Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc (NGC) giai đoạn 2011–2018 ghi nhận sự cố do sét chiếm trên 70% tổng số sự cố trên lưới 220 kV – 500 kV và trên 65% trên lưới 110 kV. Trong khi đó, nhu cầu phát triển lưới điện theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh đặt ra mục tiêu mở rộng quy mô đường dây truyền tải gấp hơn 2 lần vào năm 2030, đồng thời thúc đẩy xu hướng áp dụng các dạng đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp đi chung cột, đường dây compact hoặc đường dây tải điện một chiều.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra từ thực tế tính toán và vận hành:

  • Các phương pháp truyền thống tiếp cận bài toán chống sét chủ yếu dựa trên nguyên tắc quá điện áp (QĐA), coi chống sét van (CSV) là thiết bị bảo vệ phụ trợ cho dây chống sét (DCS) và giả thiết lắp đặt đồng loạt tại tất cả các vị trí cột với thông số cố định.
  • Quá trình lan truyền của dòng điện sét trên DCS, trên dây pha và dòng khép mạch qua đất sau khi CSV làm việc chưa được phân tích toàn diện.
  • Hiện tượng tương tác tĩnh điện, cảm ứng điện từ giữa các dây dẫn với nhau, ảnh hưởng của tần số cao của dòng sét đến tổng trở đất và hệ số ngẫu hợp bị bỏ qua.
  • Các giải pháp như cách điện không đối xứng (CĐKĐX), dây nối đất phía dưới (UGW) hay phương án bỏ DCS thay bằng CSV mới chỉ được khảo sát riêng lẻ mà chưa được đặt trong mô hình phối hợp với CSV đường dây.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Xác định suất cắt do sét cho đường dây truyền tải điện theo phương pháp mô hình điện hình học (EGM) và phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
  2. Thiết lập cơ sở lý thuyết về truyền sóng sét trên đường dây truyền tải, quá trình truyền sóng trên hệ nhiều dây với sóng sét chạy trên cả DCS và dây pha khi CSV làm việc, từ đó xác định ảnh hưởng của các thông số đường dây đến quá điện áp trên cách điện của đường dây truyền tải.
  3. Nghiên cứu tính toán số lượng và vị trí lắp đặt CSV tùy theo cấu hình đường dây truyền tải và địa hình (thông qua điện trở suất của đất và điện trở tiếp địa của cột) nhằm đạt được suất cắt nhỏ nhất.
  4. Đề xuất các giải pháp mới giảm sự cố do sét trên đường dây truyền tải hiện nay và tương lai của Việt Nam bằng việc kết hợp phương pháp sử dụng CSV với các phương pháp khác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng quá điện áp do sét, quá trình quá độ điện từ và suất cắt do sét trên các đường dây truyền tải điện trên không từ cấp điện áp 110 kV, 220 kV đến 500 kV với các dạng cấu hình cột, thông số tiếp địa và giải pháp bảo vệ khác nhau.
  • Phạm vi không gian: Hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam thuộc phạm vi quản lý của 4 công ty truyền tải điện (PTC1, PTC2, PTC3, PTC4) và Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc (NGC), tập trung vào các tuyến đường dây đi qua khu vực có mật độ giông sét cao và địa hình phức tạp (như Việt Trì – Yên Bái 220 kV, Tiên Yên – Mông Dương 110 kV, Thanh Thủy – Hà Giang 220 kV).
  • Phạm vi thời gian: Số liệu thống kê giông sét, vận hành và sự cố giai đoạn 2011–2018; các chỉ tiêu suất cắt định hướng giai đoạn 2016–2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các nhóm công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các hướng bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải:

  1. Các nghiên cứu trong nước:

    • Nhóm tính toán quá điện áp truyền thống: Dựa trên giáo trình kỹ thuật điện cao áp kinh điển [18, 19], sử dụng một khoảng cột đại diện, nguồn dòng sét tuyến tính và coi điện áp trên cột là đồng nhất. Gần đây, nghiên cứu của các tác giả trong nước [20] bước đầu ứng dụng phương pháp Monte Carlo và chương trình EMTP/ATP có xét đến dạng sóng và góc pha điện áp.
    • Nhóm nghiên cứu giải pháp giảm sự cố: Các báo cáo kỹ thuật và luận văn [21, 22, 23] tập trung vào giải pháp giảm điện trở tiếp địa [24], tăng cường cách điện, giảm góc bảo vệ hoặc giảm tổng trở sóng cột [25].
    • Nhóm nghiên cứu về CSV đường dây: Ứng dụng CSV hạn chế quá điện áp đóng cắt trên đường dây 220 kV dài 100 km [26]; tính toán vị trí CSV cho đường dây 500 kV theo tiếp cận điện áp [27]; ứng dụng CSV có khe hở ngoài (EGLA) cho đường dây 220 kV mạch kép [25, 28].

  2. Các nghiên cứu ngoài nước:

    • Ứng dụng CSV đường dây: Các công trình khảo sát hiệu quả của CSV trên đường dây 123 kV một DCS [29, 30]; đường dây 115 kV mạch kép có điện trở tiếp địa trên 100 $\Omega$ [31]; đường dây 63 kV và 90 kV không có DCS [32]; tối ưu hóa vị trí lắp đặt CSV theo điện trở tiếp địa cho đường dây 132/275 kV [33, 34] và 220 kV kết hợp hệ thống định vị sét [35, 36]; phân tích đường dây 400 kV [37, 38] và đường dây 115 kV [39]; tối ưu hóa CSV trên lưới phân phối bằng Monte Carlo [40] và thuật toán di truyền [41].
    • Dây nối đất treo phía dưới (UGW): Khuyến cáo từ IEEE Std 1243-1997 [46]; nghiên cứu của Hileman [42] trên đường dây 230 kV mạch kép cho thấy điện áp trên cách điện giảm 15%; các nghiên cứu trên lưới 22 kV [43], 230 kV [44] (suất cắt giảm gần 50% khi $R_{tđ} = 40\ \Omega$), và đường dây 154 kV [45] (ngưỡng dòng phóng điện tăng từ 54 kA lên 68 kA).
    • Cách điện không đối xứng (CĐKĐX): Thiết kế thử nghiệm của Kawai và cộng sự [47] trên đường dây 140 kV và 250 kV; nghiên cứu kết hợp khe hở phóng điện trên đường dây 220 kV 4 mạch [48] (giảm suất cắt đồng thời 5,5 đến 7,8 lần); nghiên cứu tăng chuỗi cách điện từ 15 lên 17 bát trên đường dây 220 kV [49, 50] (ngưỡng dòng phóng điện tăng 50,3%, suất cắt 2 mạch giảm 11 lần).
    • Bỏ dây chống sét thay bằng CSV: Các khảo sát bước đầu trên đường dây 63 kV, 90 kV [32] và đường dây compact 123 kV, 138 kV sử dụng phần mềm Sigma slp [51, 52].

Vị trí của luận án: Khắc phục hạn chế của cách tiếp cận quá điện áp truyền thống bằng cách chuyển sang phương pháp tiếp cận dòng điện sét. Luận án giải quyết trọn vẹn bài toán truyền sóng trên hệ nhiều dây có xét đầy đủ thành phần tần số cao, dòng trở về trong đất, tương tác giữa các dây pha khi CSV làm việc, và hiện tượng phóng điện tại các cột lân cận khi lắp đặt CSV rời rạc; từ đó xây dựng cơ sở phối hợp CSV với các giải pháp CĐKĐX, UGW và cấu hình bỏ DCS.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án xây dựng mô hình toán học giải tích cho quá trình truyền sóng trên hệ nhiều dây thông số rải. Hệ phương trình vi phân truyền sóng chính tắc được mô tả qua toán tử Laplace: $$\frac{\partial [u(x, p)]}{\partial x} = -[Z_0][i(x, p)]$$ $$\frac{\partial [i(x, p)]}{\partial x} = -[Y_0][u(x, p)]$$

Trong đó:

  • Ma trận tổng dẫn shunt $[Y_0] = p[C]$ (bỏ qua điện dẫn $G_0$). Ma trận điện dung $[C] = [P]^{-1}$, với $[P]$ là ma trận hệ số thế xác định theo phương pháp ảnh Maxwell: $$P_{ii} = \frac{1}{2\pi \varepsilon_0} \ln\left(\frac{2y_i}{r_i}\right), \quad P_{ij} = \frac{1}{2\pi \varepsilon_0} \ln\left(\frac{D_{ij}}{d_{ij}}\right)$$
  • Ma trận tổng trở dọc $[Z_0] = [Z_{ext}] + [Z_{int}]$.
    • Tổng trở ngoài $[Z_{ext}] = [Z_g] + [Z_e]$ tính theo phương pháp ảnh phức của Deri với độ sâu phức $p = \sqrt{\rho / (j\omega \mu_0)}$. Thành phần $[Z_g]$ phụ thuộc kích thước hình học, $[Z_e]$ phụ thuộc đường trở về trong đất và điện trở suất đất $\rho$.
    • Tổng trở trong $[Z_{int}]$ xét đến hiệu ứng bề mặt (skin effect) ở tần số cao, giải qua hàm Bessel hiệu chỉnh bậc 0 và bậc 1 ($I_0, I_1$): $$Z_{int} = \frac{Z_{cw}}{2\pi r_c} \frac{I_0(\gamma_c r_c)}{I_1(\gamma_c r_c)} \approx \sqrt{R_{dc}^2 + Z_{HF}^2}$$
  • Khử thành phần tương hỗ trong hệ nhiều dây bằng phương pháp biến đổi không gian pha sang miền modal (modal transformation) qua các ma trận vector riêng $[T_u]$ và $[T_i]$ tại tần số chuẩn $1\text{ MHz}$.

Hệ số ngẫu hợp điện áp giữa dây chống sét và dây pha thứ $k$:

  • Đường dây 1 DCS: $K_{k1} = \frac{Z_{k1}}{Z_{11}}$
  • Đường dây 2 DCS: $K_{k1,2} = \frac{Z_{k1} + Z_{k2}}{Z_{11} + Z_{12}}$

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Mô hình điện hình học (EGM): Áp dụng hướng dẫn CIGRE SC33-WG01 và IEEE Std 1243-1997 để xác định khoảng cách phóng điện sét tới đất ($r_g$), tới dây dẫn ($r_c$), diện tích thu hút sét ($D_c, D_g$) và dòng điện sét cực đại đánh vòng qua DCS vào dây pha ($I_m$).
  2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo kết hợp EMTP/ATP:
    • Biến ngẫu nhiên biên độ dòng sét $I_s$ lấy theo phân bố log-chuẩn (IEEE/CIGRE).
    • Thời gian đầu sóng $t_f$, thời gian đuôi sóng, vị trí sét đánh dọc khoảng vượt và góc pha điện áp tức thời được tạo ngẫu nhiên.
    • Phân bố điện trở tiếp địa cột $R_{tđ}$ sử dụng số liệu đo đạc thực tế tại các cung đoạn đường dây.
  3. Mô hình hóa các phần tử trong EMTP/ATP:
    • Nguồn sét: Nguồn dòng dạng Slope-Ramp ($1,2/50\ \mu\text{s}$) mắc song song tổng trở sóng kênh sét $Z_s = 400\ \Omega$ theo IEC TR 60071-4.
    • Mô hình cột: Cột nhiều tầng (Multistory tower model) theo IEC TR 60071-4 gồm 4 tầng (cột 2 mạch) hoặc 3 tầng (cột 1 mạch), tổng trở sóng $Z_{T1} = Z_{T2} = Z_{T3} = 220\ \Omega$, $Z_{T4} = 150\ \Omega$, vận tốc truyền sóng $v = 300\text{ m/}\mu\text{s}$, hệ số suy giảm $\gamma = 0,8944$.
    • Mô hình chuỗi cách điện: Mô hình phóng điện theo tiêu chí tích phân điện áp - thời gian hoặc khe hở đánh thủng.
    • Mô hình CSV: Phần tử phi tuyến với đặc tính $V\text{-}I$ của oxit kim loại ZnO, mô phỏng hai dạng CSV có khe hở ngoài (EGLA) và không khe hở (NGLA).
Phần tử mô hình hóa Loại mô hình trong EMTP/ATP Thông số / Tiêu chuẩn áp dụng
Nguồn sét Nguồn dòng Slope-Ramp song song $Z_s$ Dạng sóng $1,2/50\ \mu\text{s}$, $Z_s = 400\ \Omega$ (IEC TR 60071-4)
Thân cột điện Cột nhiều tầng (Multistory tower) $Z_{T1,2,3} = 220\ \Omega$, $Z_{T4} = 150\ \Omega$, $v = 300\text{ m/}\mu\text{s}$, $\gamma = 0,8944$
Dây dẫn & DCS Mô hình thông số rải phụ thuộc tần số JMarti / Modal domain tại tần số $1\text{ MHz}$
Điện trở tiếp địa Điện trở tập trung / phi tuyến Dải giá trị đo đạc thực tế ($5\ \Omega \div 100\ \Omega$)
Chống sét van (CSV) Phần tử phi tuyến ZnO Loại EGLA và NGLA theo tiêu chuẩn IEC 60099-4

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về chống sét cho đường dây truyền tải

Chương 1 tổng kết thực trạng lưới truyền tải điện Việt Nam với hơn 43.000 km đường dây (110 kV chiếm 43%, 220 kV chiếm 39%, 500 kV chiếm 18%) và mật độ sét biến thiên từ 1,4 đến 14,9 lần/$\text{km}^2\cdot\text{năm}$. Sự cố do sét tại NPT giai đoạn 2015, 2016, 2017 lần lượt chiếm 64%, 78% và 86% tổng số sự cố. Tại PTC1, nhiều đường dây ghi nhận 100% sự cố do sét (Tràng Bạch – Hoành Bồ, Nhánh Rẽ – Sơn Động). Tại NGC, sự cố do sét chiếm đến 68% (đường dây Quảng Ninh – Mông Dương có suất cắt thực tế $17,5\text{ lần/}100\text{ km}\cdot\text{năm}$, Bảo Thắng – Yên Bái là $14,2\text{ lần/}100\text{ km}\cdot\text{năm}$).

Cấp điện áp Chỉ tiêu suất cắt (lần/100 km.năm) 2016 2017 2018 2019 2020
500 kV (NPT) Kéo dài 0,153 0,131 0,111 0,095 0,081
Thoáng qua 0,094 0,080 0,068 0,058 0,050
220 kV (NPT) Kéo dài 0,196 0,167 0,142 0,121 0,103
Thoáng qua 0,481 0,410 0,349 0,297 0,253
110 kV (NGC) Kéo dài 0,880 0,780 0,700 0,620 0,550
Thoáng qua 0,880 0,780 0,700 0,620 0,550

Chương này chỉ ra hạn chế của các phương pháp tính toán chống sét hiện hữu và xác lập hướng nghiên cứu theo phương pháp dòng điện sét.

Chương 2: Tính toán quá độ điện từ do sét trên đường dây truyền tải

Chương 2 phân tích định lượng quá trình truyền sóng khi sét đánh đỉnh cột và sét đánh dây pha. Khi sét đánh đỉnh cột, điện áp trên đỉnh cột $U_{đc}$ và điện áp trên cách điện pha A ($U_{cđA}$) được biểu diễn qua công thức giải tích có xét phản xạ sóng và hệ số ngẫu hợp: $$U_{cđA} = U_{xA} - U_{dd} = K_{SP}(K_{TA} - K_A)I_s$$

Các kết quả mô phỏng EMTP/ATP chỉ rõ:

  • Điện trở suất của đất $\rho$ tăng làm tăng tổng trở ngoài $Z_{ext}$, làm giảm hệ số ngẫu hợp $K$ giữa DCS và dây pha, dẫn đến quá điện áp đặt lên chuỗi cách điện tăng cao.
  • Khi tần số dòng sét tăng lên $1\text{ MHz}$, hiệu ứng bề mặt làm tăng điện trở trong $Z_{int}$, làm biến dạng sóng phản xạ trên thân cột.
  • Cột hai mạch chịu sự phân bố điện áp không đồng đều giữa các tầng xà; các pha dưới chịu ứng suất điện áp cao hơn khi xảy ra phóng điện ngược (Back Flashover).

Chương 3: Phương pháp tính toán suất cắt cho đường dây truyền tải

Chương 3 trình bày cấu trúc tính toán tổng suất cắt do sét $N_C$: $$N_C = \text{BFR} + \text{SFFOR}$$ Trong đó BFR là suất cắt do phóng điện ngược khi sét đánh đỉnh cột/DCS, SFFOR là suất cắt do sét đánh vòng vào dây pha.

Luận án so sánh hai phương pháp tính toán trên hai đường dây thực tế:

  • Đường dây 220 kV Việt Trì – Yên Bái: Phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho kết quả sát với thực tế vận hành hơn phương pháp EGM thuần túy, nhờ tích hợp phân bố thực nghiệm của điện trở tiếp địa $R_{tđ}$.
  • Đường dây 110 kV Tiên Yên – Mông Dương: Phương pháp Monte Carlo phản ánh chính xác ảnh hưởng của các vị trí cột có tiếp địa cao cục bộ trên tuyến.

Chương 4: Ứng dụng chống sét van cho đường dây truyền tải

Chương 4 đánh giá toàn diện hiệu quả kỹ thuật khi lắp đặt CSV trên lưới 110 kV, 220 kV và 500 kV:

  • Hiệu quả theo cấu hình: Trên đường dây 220 kV hai mạch hai DCS, việc lắp đặt CSV tại các pha dưới (pha C) mang lại hiệu quả giảm suất cắt cao nhất. Trên đường dây 110 kV hai mạch một DCS, việc lắp CSV ở pha trên (pha A) đem lại hiệu quả bảo vệ vượt trội do góc bảo vệ của DCS đối với pha A kém hơn.
  • Năng lượng hấp thụ của CSV: Năng lượng tiêu tán trong van tăng tỷ lệ thuận với biên độ dòng sét $I_s$ và điện trở tiếp địa $R_{tđ}$. Khi dòng sét đạt 300 kA, năng lượng hấp thụ phân bố lớn nhất ở pha chịu phóng điện đầu tiên nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép của van ZnO công nghiệp.
  • Cơ chế lắp đặt CSV rời rạc: Luận án phát hiện hiện tượng khi lắp CSV tại cột số 2, dòng sét tản vào dây pha làm xuất hiện sóng quá điện áp truyền sang cột số 3 (không lắp CSV). Nếu điện trở tiếp địa cột 3 ($R_{tđ3}$) lớn, cách điện cột 3 sẽ bị phóng điện ngược. Luận án xác lập đồ thị phân vùng phóng điện (Vùng I: Không phóng điện; Vùng II: Phóng điện tại cột 3; Vùng III: Phóng điện tại cột 2) theo quan hệ giữa $R_{tđ2}$, $R_{tđ3}$ và chiều dài khoảng vượt.

Chương 5: Một số phương pháp chống sét kết hợp sử dụng CSV cho đường dây truyền tải

Chương 5 khảo sát 4 giải pháp kết hợp nhằm tối ưu hóa suất cắt:

  1. CSV kết hợp cách điện không đối xứng (CĐKĐX): Bố trí chuỗi cách điện có số bát khác nhau giữa 2 mạch (ví dụ mạch 1 giữ 15 bát, mạch 2 tăng lên 17 bát hoặc lắp CSV ở mạch yếu). Giải pháp này triệt tiêu nguy cơ sự cố cắt điện đồng thời cả hai mạch, duy trì độ ổn định cung cấp điện.
  2. CSV kết hợp dây chống sét treo phía dưới (UGW): Dây UGW làm tăng mạnh hệ số ngẫu hợp $K$ giữa hệ thống nối đất và các dây pha dưới, giúp giảm điện áp trên cách điện từ 15% đến 30% tại các khu vực có điện trở tiếp địa cột lớn ($R_{tđ} > 40\ \Omega$).
  3. Bỏ dây chống sét thay bằng CSV (chuyển cấu hình C1 sang C3): Bỏ hoàn toàn DCS đỉnh cột, hạ thấp chiều cao cột điện, lắp CSV ở pha trên cùng. Giải pháp này làm giảm diện tích thu hút sét của đường dây ($N_l$ giảm), là cơ sở kỹ thuật cho các tuyến đường dây compact.
  4. CSV kết hợp dây UGW trên đường dây không có DCS (cấu hình C4): Đảm bảo suất cắt của đường dây compact không DCS đạt mức tương đương hoặc thấp hơn đường dây truyền thống có treo DCS, đặc biệt hiệu quả ở vùng đồi núi có điện trở suất đất cao.
Phương pháp phối hợp Cấu hình triển khai Cơ chế tác động chính Hiệu quả kỹ thuật ghi nhận
CSV + CĐKĐX 2 mạch: mạch 1 cách điện tiêu chuẩn, mạch 2 tăng cách điện + CSV Phân tán ngưỡng phóng điện giữa 2 mạch Giảm nguy cơ sự cố cắt đồng thời cả 2 mạch xuống mức tối thiểu
CSV + Dây UGW Treo thêm dây nối đất phía dưới xà các pha đáy Tăng hệ số ngẫu hợp $K$, tản dòng sét xuống đất Điện áp trên cách điện giảm 15–30% khi $R_{tđ}$ cao
Bỏ DCS thay bằng CSV Hạ thấp chiều cao cột, bỏ DCS đỉnh, lắp CSV pha đỉnh Giảm chiều cao công trình, giảm diện tích thu sét $D_c, D_g$ Giảm số lần sét đánh $N_l$, tối ưu hóa hành lang tuyến (đường dây compact)
CSV + UGW không DCS Cột compact không DCS đỉnh, có dây UGW phía dưới Tăng ngẫu hợp dưới đáy và xả sét trực tiếp qua CSV đỉnh Đảm bảo suất cắt thấp hơn cấu hình truyền thống ở vùng đất đá trở kháng cao

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả lý thuyết, mô phỏng và đề xuất các định hướng áp dụng thực tế cho lưới điện truyền tải Việt Nam.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được 6 đóng góp mới về lý luận và thực tiễn:

  1. Phương pháp tính toán suất cắt: Đề xuất quy trình xác định suất cắt kết hợp phương pháp mô hình điện hình học (EGM) và phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho lưới truyền tải điện Việt Nam trên cơ sở chuẩn hóa theo IEEE Std 1243-1997, CIGRE SC33-WG01, IEC TR-60071-4 và phần mềm EMTP/ATP.
  2. Cơ sở lý thuyết truyền sóng sét: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình giải tích truyền sóng sét trên hệ nhiều dây tiếp cận theo dòng điện sét; làm rõ định lượng ảnh hưởng của tổng trở sóng tương hỗ, điện trở suất của đất, tần số dòng sét ($1\text{ MHz}$) và dòng trở về trong đất tới hệ số ngẫu hợp $K$.
  3. Ứng dụng EMTP/ATP mô phỏng CSV: Thiết lập bộ thông số và mô hình tính toán chi tiết cho các cấp điện áp 110 kV, 220 kV và 500 kV của lưới điện Việt Nam.
  4. Tối ưu hóa vị trí và số lượng CSV: Xác định cấu hình lắp đặt CSV tối ưu cho từng loại cột (pha dưới cho đường dây 220 kV hai mạch; pha trên cho đường dây 110 kV hai mạch) giúp đạt suất cắt nhỏ nhất với số lượng CSV kinh tế nhất.
  5. Lý giải hiện tượng phóng điện lan truyền khi lắp CSV rời rạc: Giải thích bản chất hiện tượng phóng điện ngược tại các cột lân cận không lắp CSV khi dòng sét tản vào dây pha; thiết lập biểu đồ tương quan $R_{tđ}$ giữa các cột để định vị chính xác vị trí cần lắp đặt CSV phân tán.
  6. Đề xuất các phương pháp chống sét phối hợp mới: Đề xuất giải pháp CSV kết hợp cách điện không đối xứng, CSV kết hợp dây UGW, và giải pháp bỏ DCS thay bằng CSV kết hợp UGW cho đường dây compact trong tương lai.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo kết hợp EMTP/ATP trong tính toán thiết kế cách điện và chống sét cho các dự án đường dây truyền tải mới tại Việt Nam.
  • Ưu tiên lắp đặt CSV phân tán tại các vị trí cột có điện trở tiếp địa không thể hạ thấp ($R_{tđ} > 30\ \Omega$) và lắp kèm tại các cột liền kề có nguy cơ phóng điện lan truyền.
  • Nghiên cứu ứng dụng cấu hình đường dây compact bỏ DCS sử dụng CSV và dây UGW cho các vùng hành lang tuyến hẹp hoặc khu vực đồi núi hiểm trở.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Việc tính toán ma trận chuyển đổi miền modal trong phân tích quá độ điện từ được cố định tại tần số $1\text{ MHz}$ (ứng với dạng sóng sét tiêu chuẩn $1,2/50\ \mu\text{s}$), chưa xét biến thiên liên tục của ma trận chuyển theo toàn dải tần số quá độ.
  • Mô hình điện trở tiếp địa cột trong một số kịch bản mô phỏng sử dụng giá trị điện trở tập trung đo ở tần số công nghiệp, chưa mô hình hóa chi tiết hiện tượng ion hóa đất phi tuyến cục bộ dưới tác động của dòng sét biên độ cực lớn.
  • Phân bố tham số biên độ và thời gian dòng sét chủ yếu dựa trên hàm mật độ xác suất của IEEE/CIGRE mà chưa có cơ sở dữ liệu đo đạc thực tế dài hạn riêng cho từng tiểu vùng khí hậu Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Hoàn thiện mô hình toán học phụ thuộc tần số liên tục (Frequency-dependent model) cho ma trận trở kháng của hệ nhiều dây trong chương trình EMTP.
  • Nghiên cứu sâu hơn về đặc tính quá độ phi tuyến và quá trình ion hóa của hệ thống nối đất cột điện khi chịu dòng sét có biên độ lớn trong các môi trường đất có điện trở suất cao.
  • Tích hợp dữ liệu định vị sét thời gian thực từ mạng lưới trạm định vị giông sét quốc gia để tối ưu hóa vị trí lắp đặt CSV trên từng khoảng néo đường dây.
  • Triển khai thử nghiệm thực tế giải pháp đường dây compact không DCS kết hợp CSV và dây UGW trên một đoạn tuyến truyền tải thực địa.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện cao áp; tham khảo cơ sở lý thuyết truyền sóng trên hệ nhiều dây, phương pháp ảnh phức Deri, thuật toán chéo hóa ma trận modal và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo trong EMTP/ATP và MATLAB.
  • Kỹ sư tư vấn, thiết kế điện: Tại các công ty tư vấn xây dựng điện (PECC1, PECC2, PECC3, PECC4, Viện Năng lượng); tham khảo phương pháp xác định suất cắt BFR, SFFOR theo chuẩn IEEE/CIGRE và giải pháp thiết kế đường dây compact thu hẹp hành lang tuyến.
  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý vận hành: Tại Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (NPT), các công ty truyền tải điện (PTC1, PTC2, PTC3, PTC4) và các công ty điện lực/lưới điện cao thế; tham khảo quy trình lựa chọn vị trí pha lắp đặt CSV, phương án lắp đặt CSV rời rạc tránh phóng điện cột lân cận, và giải pháp treo dây UGW để xử lý các điểm đen sự cố do sét.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp tiếp cận dòng điện sét trong luận án lại ưu việt hơn phương pháp tiếp cận quá điện áp truyền thống?

Phương pháp tiếp cận quá điện áp truyền thống giả định toàn bộ dòng sét chỉ chạy trên DCS và tản qua tiếp địa cột, coi CSV là thiết bị phụ trợ được lắp đồng loạt và bỏ qua hiện tượng sau khi CSV tác động. Phương pháp tiếp cận dòng điện sét của luận án xét đến quá trình phân bố thực tế của dòng sét: khi CSV làm việc, một phần dòng sét được dẫn trực tiếp vào dây pha, tạo ra sóng lan truyền trên dây dẫn và cảm ứng tương hỗ sang các pha khác cũng như chạy khép mạch qua đất. Điều này cho phép tính toán chính xác quá điện áp trên toàn bộ các pha còn lại, làm rõ ảnh hưởng của điện trở suất đất và tần số cao, từ đó cho phép tối ưu hóa số lượng và vị trí lắp đặt CSV trên từng vị trí cột riêng biệt.

2. Mô hình cột nhiều tầng (Multistory tower) trong EMTP/ATP được cấu tạo như thế nào?

Theo khuyến cáo của IEC TR 60071-4, mô hình cột nhiều tầng chia thân cột thành 4 đoạn (đối với cột 2 mạch) tương ứng: từ đỉnh cột đến xà pha trên, từ xà pha trên đến xà pha giữa, từ xà pha giữa đến xà pha dưới, và từ xà pha dưới đến mặt đất. Mỗi tầng được đặc trưng bởi một đường dây thông số rải có tổng trở sóng ($Z_{T1} = Z_{T2} = Z_{T3} = 220\ \Omega$ và $Z_{T4} = 150\ \Omega$), mắc nối tiếp với mạch $R\text{-}L$ song song nhằm mô tả hiện tượng suy giảm sóng dọc theo thân cột với vận tốc truyền sóng $v = 300\text{ m/}\mu\text{s}$ và hệ số suy giảm $\gamma = 0,8944$.

3. Tại sao khi lắp đặt CSV tại một cột lại có thể gây phóng điện ngược ở cột lân cận không lắp CSV?

Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS tại cột có lắp CSV (ví dụ cột 2), CSV tác động sẽ dẫn một phần dòng điện sét vào dây pha được bảo vệ. Dòng sét này truyền dọc theo dây pha sang cột kế cận (cột 3). Tại cột 3, sự kết hợp giữa điện áp cảm ứng từ DCS và sóng điện áp chạy trên dây pha làm tăng hiệu điện thế đặt lên chuỗi cách điện của cột 3. Nếu cột 3 có điện trở tiếp địa cao ($R_{tđ3}$ lớn) và khoảng vượt ngắn, biên độ quá điện áp tại cột 3 sẽ vượt quá mức chịu đựng xung sét (BIL), gây ra hiện tượng phóng điện ngược tại cột không treo CSV.

4. Vị trí pha lắp đặt CSV tối ưu khác nhau như thế nào giữa đường dây 220 kV hai mạch và 110 kV hai mạch?

  • Đối với đường dây 220 kV hai mạch hai DCS: Góc bảo vệ của DCS đối với các pha trên là rất tốt, sự cố chủ yếu do phóng điện ngược khi sét đánh đỉnh cột. Pha dưới (pha C) có điện áp cách điện chịu ứng suất cao nhất do khoảng cách truyền sóng trên cột dài nhất và hệ số ngẫu hợp với DCS nhỏ nhất, do đó vị trí lắp đặt CSV tối ưu là ở các pha dưới.
  • Đối với đường dây 110 kV hai mạch một DCS: Do chỉ có một DCS ở đỉnh cột nên góc bảo vệ đối với pha trên cùng (pha A) bị mở rộng, làm tăng xác suất sét đánh vòng trực tiếp vào dây pha (suất cắt SFFOR tăng). Vì vậy, vị trí lắp đặt CSV ưu tiên hàng đầu là pha trên cùng (pha A) nhằm triệt tiêu sự cố do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn.

5. Cơ sở kỹ thuật của phương pháp bỏ dây chống sét thay bằng chống sét van là gì?

Giải pháp bỏ DCS thay bằng CSV dựa trên nguyên lý: loại bỏ DCS đỉnh cột cho phép giảm đáng kể chiều cao cơ học của cột điện, từ đó làm giảm diện tích thu hút sét ($D_c, D_g$) và giảm tổng số lần sét đánh vào tuyến đường dây ($N_l$). Khi sét đánh trực tiếp vào các dây pha trên cùng, CSV lắp tại các vị trí này sẽ lập tức mở để dẫn dòng sét an toàn xuống đất hoặc san bằng điện áp giữa các pha mà không gây phóng điện phá hủy chuỗi cách điện. Kết hợp thêm dây nối đất phía dưới (UGW) sẽ bù đắp hệ số ngẫu hợp, đảm bảo suất cắt của đường dây compact không DCS thấp hơn hoặc tương đương đường dây truyền thống có DCS.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không" của tác giả Ninh Văn Nam đã giải quyết bài toán chống sét cho lưới truyền tải thông qua việc chuyển đổi từ phương pháp tiếp cận quá điện áp sang tiếp cận dòng điện sét trên hệ nhiều dây. Công trình đã chuẩn hóa quy trình tính toán suất cắt kết hợp mô hình điện hình học (EGM) và mô phỏng Monte Carlo trong EMTP/ATP, đồng thời làm sáng tỏ cơ chế truyền sóng quá độ khi CSV vận hành và hiện tượng phóng điện tại các cột lân cận khi lắp đặt CSV phân tán. Các giải pháp đề xuất bao gồm tối ưu hóa vị trí lắp CSV theo cấu hình cột, phối hợp CSV với cách điện không đối xứng, dây nối đất phía dưới (UGW) và cấu hình bỏ DCS thay bằng CSV cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác thiết kế, vận hành lưới điện truyền tải Việt Nam.