Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

• Tác giả: Ninh Văn Nam
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hồng Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giải Pháp Giảm Sự Cố Do Sét Cho Đường Dây Truyền Tải Điện Trên Không
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về sự cố do sét và ảnh hưởng đến đường dây truyền tải điện

Sự cố do sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố trên đường dây truyền tải điện. Theo thống kê, hơn 70% sự cố trên đường dây 220 kV và 500 kV tại Việt Nam là do sét. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp chống sét hiệu quả. Đường dây truyền tải điện hiện đại ngày càng phức tạp, với nhiều nguồn năng lượng mới và cấu trúc nhỏ gọn hơn. Do đó, việc tính toán và thiết kế các hệ thống bảo vệ chống sét cần phải được điều chỉnh để phù hợp với những thay đổi này. Việc áp dụng các công nghệ mới như chống sét van (CSV) đã mở ra hướng đi mới trong việc bảo vệ đường dây truyền tải điện khỏi sự cố do sét.

1.1. Nguyên nhân và tác động của sét

Sét có thể gây ra nhiều tác động nghiêm trọng đến hệ thống điện, bao gồm quá điện áp và phóng điện ngược. Khi sét đánh vào đường dây, nó có thể tạo ra dòng điện lớn, dẫn đến hư hỏng cách điện và thiết bị. Các biện pháp bảo vệ như lắp đặt dây chống sét và hệ thống tiếp địa là cần thiết để giảm thiểu thiệt hại. Tuy nhiên, những biện pháp này không phải lúc nào cũng đủ hiệu quả, đặc biệt là trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới như CSV là rất quan trọng để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

II. Các giải pháp chống sét cho đường dây truyền tải điện

Để giảm thiểu sự cố do sét, nhiều giải pháp chống sét đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng chống sét van (CSV). CSV giúp bảo vệ đường dây bằng cách hấp thụ năng lượng từ sét, giảm thiểu điện áp lan truyền vào trạm. Việc lắp đặt CSV không chỉ giúp bảo vệ cách điện mà còn tăng cường độ tin cậy cho hệ thống truyền tải điện. Ngoài ra, việc sử dụng dây chống sét (DCS) và cột chống sét cũng là những biện pháp truyền thống nhưng vẫn cần thiết trong việc bảo vệ đường dây.

2.1. Hiệu quả của chống sét van CSV

CSV đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm thiểu sự cố do sét. Nghiên cứu cho thấy, việc lắp đặt CSV có thể giảm đáng kể tỷ lệ sự cố do sét trên đường dây truyền tải. CSV hoạt động bằng cách tạo ra một khe hở điện, cho phép dòng điện sét được dẫn đi an toàn, từ đó bảo vệ các thiết bị điện khỏi hư hỏng. Các nghiên cứu thực tế đã chỉ ra rằng, việc sử dụng CSV có thể giảm thiểu đến 50% sự cố do sét, từ đó tiết kiệm chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện.

III. Tính toán và mô phỏng sự cố do sét

Việc tính toán và mô phỏng sự cố do sét là rất quan trọng trong việc thiết kế các giải pháp chống sét. Các phương pháp mô phỏng như EMTP (Electromagnetic Transient Program) cho phép các kỹ sư mô phỏng các tình huống khác nhau khi sét đánh vào đường dây. Qua đó, có thể đánh giá được hiệu quả của các biện pháp bảo vệ và điều chỉnh thiết kế cho phù hợp. Mô phỏng cũng giúp xác định các thông số quan trọng như điện trở tiếp địa và cấu hình đường dây, từ đó tối ưu hóa hiệu quả của các giải pháp chống sét.

3.1. Phương pháp mô phỏng EMTP

Phương pháp EMTP cho phép mô phỏng các quá trình điện từ trong hệ thống điện khi có sự cố do sét. Bằng cách sử dụng các mô hình điện hình học, các kỹ sư có thể xác định được cách mà dòng điện sét lan truyền qua các phần tử trong hệ thống. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quý giá về cách thức hoạt động của các thiết bị bảo vệ và giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Việc áp dụng EMTP trong nghiên cứu đã cho thấy khả năng dự đoán chính xác các sự cố do sét, từ đó nâng cao hiệu quả của các giải pháp chống sét.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không đã chỉ ra rằng, việc áp dụng các công nghệ mới như CSV là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Các giải pháp chống sét hiện tại cần được cải tiến và phát triển hơn nữa để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành điện. Kiến nghị cần có các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá hiệu quả của các giải pháp mới và phát triển các công nghệ tiên tiến hơn trong lĩnh vực chống sét.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ chống sét mới, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng tần suất các hiện tượng thời tiết cực đoan. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như cảm biến và hệ thống giám sát thông minh có thể giúp nâng cao khả năng phát hiện và ứng phó với sự cố do sét. Đồng thời, cần có các chương trình đào tạo và nâng cao nhận thức cho các kỹ sư và nhân viên vận hành về tầm quan trọng của việc chống sét trong hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 1. Tổng quan về sự cố do sét trên đường dây truyền tải 1. Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam Đường dây truyền tải Việt Nam được xây dựng từ những năm 1960, sau hơn nửa thế kỷ phát triển đã hình thành một hệ thống điện quốc gia với hàng chục ngàn km đường dây.

Theo EVN [4], tính đến hết năm 2018 EVN đang quản lý hệ thống lưới điện gồm trên 43000 km đường dây 500 kV, 220 kV và 110 kV (hình 1. Trong đó chiều dài đường dây 110 kV chiếm 43%, đường dây 220 kV chiếm 39% và đường dây 500 kV chiếm 18%. 21000 500kV 220kV 110kV 18000 15000 Chiều dài (km) 12000 9000 6000 3000 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Năm Hình 1. Quy mô về đường dây 110-220-500 kV từ 2012-2018 [4] 35000 30000 ĐD500 kV 25000 ĐD220 kV Chiều dài ( km) 20000 15000 10000 5000 0 2015 2020 2025 2030 Năm Hình 1.

Chiều dài đường dây truyền tải theo quy hoạch điện VII [5] Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia (quy hoạch điện VII điều chỉnh) giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 [5] dự kiến cần xây dựng mới hàng chục nghìn km đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV (hình 1. Kết quả dự kiến trong 15 năm từ năm 2015 đến năm 2030 chiều dài đường dây của lưới truyền tải đạt 43500 km (tăng 2,13 lần), trong đó 7 luan an đường dây 500 kV tăng lên 9000 km (tăng 2,96 lần) và với đường dây 220 kV tăng đến 15000 km (tăng 2,19 lần). Hệ thống đường dây truyền tải quốc gia đã vươn tới hầu hết các tỉnh, thành phố trong cả nước và từng bước kết nối với lưới truyền tải điện của các nước trong khu vực với công nghệ ngày càng hiện đại như các công nghệ mới về vật liệu, giám sát, bảo vệ đường dây, sử dụng dây dẫn siêu nhiệt, truyền thông, giám sát phụ tải, thiết bị định vị sự cố, bảo vệ chống sét đường dây, đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp, cáp ngầm cao áp 220 kV, hệ thống điều khiển tích hợp bằng máy tính, giám sát dầu online, hệ thống SCADA v. Các đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV được quản lý vận hành bởi 4 công ty truyền tải điện PTC1, PTC2, PTC3, PTC4 trải rộng khắp cả nước, khối lượng đường dây các công ty này quản lý và vận hành tính tới năm 2018 thể hiện trên hình 1.

4500 ĐD 500 kV 4000 ĐD 220 kV 3500 Chiều dài (km) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 PTC1 PTC2 PTC3 PTC4 Các công ty truyền tải điện Hình 1. Khối lượng quản lý vận hành đường dây truyền tải các đơn vị tính đến năm 2018 [6] 1. Tình hình giông sét tại Việt Nam Mỗi năm có khoảng 2 triệu cú sét đánh xuống đất trên toàn lãnh thổ Việt Nam, hoạt động giông sét ở nước ta diễn ra mạnh từ tháng tư đến tháng mười. Thống kê cho thấy số ngày giông trung bình khoảng 100 ngày/năm và có sự chênh lệch giữa các vùng miền như Cam Ranh- Khánh Hòa 55 giờ/năm trong khi đó tại A Lưới Thừa Thiên Huế 489 giờ/năm, số giờ giông trung bình là 250 giờ/năm [7].

Mật độ sét tại các tỉnh, thành phố trên lãnh thổ Việt Nam được thống kê trong [8] cho thấy mật độ sét trung bình có trị số từ 1,4÷14,9 lần/km2.năm theo vùng lãnh thổ. Theo “Bản đồ mật độ sét” trên toàn quốc do Viện Vật lý Địa cầu lập (hình 1.4) mật độ giông sét phân bố không đều, cao nhất ở một số huyện của tỉnh Bình Dương và một số huyện của tỉnh Bình Phước lên tới 14,9 lần/km2.năm, tiếp đến là Hoà Bình 10,9 lần/km2.năm, các vùng núi phía bắc như Hà Giang, Tuyên Quang, Yên Bái có mật độ giông sét là 8,2 lần/100 km2.năm, trong khi đó ở Ninh Thuận mật độ giông sét thấp (1,4 lần/km2.5 cho thấy các đường dây truyền tải trải dài khắp trên ba miền của đất nước, phân bố theo các khu vực có mật độ sét khác nhau, đường dây truyền tải tập trung nhiều nhất ở khu vực phía bắc nơi có mật độ sét tương đối cao từ 8,2 đến 10,9 lần/km2. 8 luan an Hình 1. Bản đồ mật độ giông sét tại Việt Nam [7] 9 luan an Hình 1.

Bản đồ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 [5] 10 luan an 1. Tình hình sự cố do sét trên đường dây truyền tải Việt Nam Kết quả thống kê từ Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia (NPT) về tình hình sự cố trên đường dây truyền tải từ năm 2011 đến 2017 [1] thể hiện trên hình 1.6 cho thấy sự cố do sét chiếm hơn 70% tổng số lần sự cố trên đường dây truyền tải. Các năm gần đây tổng số lần sự cố có xu hướng giảm nhưng số lần sự cố do sét lại có xu hướng tăng lên. Cụ thể các năm 2015, 2016 và 2017 sự cố do sét chiếm lần lượt 64%, 78% và 86% tổng số sự cố.7 cho thấy suất cắt đường dây truyền tải theo thống kê của PTC1 và PTC4 cao hơn so với PTC2 và PTC3 do chiều dài đường dây của PTC1 và PTC4 lớn hơn, đồng thời các đường dây của các PTC này cũng đi trong vùng có mật độ sét cao hơn.

200 Tổng số sự cố Sự cố do sét 160 120 Số lần 80 40 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1. Sự cố theo các năm của NPT [1] 2.0 PTC1 PTC2 PTC3 Số lần/100km. Suất cắt do sét trên đường dây truyền tải theo thống kê của các Công ty truyền tải Thống kê của PTC1 [9] về tình hình sự cố trên đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV từ năm 2011 đến năm 2017 trình bày trên hình 1.8 cho thấy sự cố do sét chiếm từ 70 - 80% tổng số sự cố. Tổng số sự cố các năm gần đây có xu hướng giảm như năm 2016 giảm 6% so với năm 2015, năm 2017 giảm 14% lần so với năm 2016, tuy nhiên tỷ lệ sự cố do sét trên tổng số lần sự cố do sét lại tăng lên.

Một số đường dây của PTC1 sự cố do sét chiếm 100 % như Tràng Bạch - Hoành Bồ, Nhánh Rẽ - Sơn Động. Suất cắt theo thống kê từ năm 2011 đến 2017 một số đường dây 220 kV được trình bày trên hình 1. 11 luan an 140 Tổng số sự cố Sự cố do sét 120 100 80 Số lần 60 40 20 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1. Sự cố theo các năm của PTC1 [9] 9 8 7 Lần/100km.năm 6 Việt Trì -Yên Bái 5 Nho Quế 3 - Cao Bằng 4 Phả Lại - Mạo Khê 3 Tràng Bạch - Hoành Bồ 2 Nhánh Rẽ - Sơn Động 1 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.

Suất cắt do sét theo thống kê một số đường dây do PTC1 quản lý Trong thực tế vận hành, các đơn vị vận hành phải đảm bảo suất cắt không được vượt quá quy định. Chỉ tiêu về suất cắt quy định đối với các đường dây 220 kV và 500 kV được tóm tắt trong bảng 1. Suất cắt theo thống kê của các đường dây truyền tải của NPT luôn lớn hơn so với chỉ tiêu đã đề ra từ 2 đến 3 lần. Một số đường dây 220 kV của PTC1 lớn hơn từ 11 đến 12 lần như đường dây Nhánh Rẽ - Sơn Động, Tràng Bạch - Hoành Bồ.

Chỉ tiêu suất cắt đối với các đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV [10] Chỉ tiêu suất cắt (lần/100 km.năm) 2016 2017 2018 2019 2020 Kéo dài 0,153 0,131 0,111 0,095 0,081 Đường dây 500 kV Thoáng qua 0,094 0,080 0,068 0,058 0,050 Kéo dài 0,196 0,167 0,142 0,121 0,103 Đường dây 220 kV Thoáng qua 0,481 0,410 0,349 0,297 0,253 Thống kê sự cố do sét trên các đường dây 110 kV của Công ty lưới điện cao thế Miền Bắc giai đoạn 2014 - 2017 được trình bày trên hình 1. Kết quả cho thấy sự cố do sét có thể đến 68% tổng số sự cố [2]. Một số đường dây có suất cắt theo thực tế vận hành cao như Quảng Ninh - Mông Dương là 17,5 (lần/100 km.năm), Bảo Thắng - Yên Bái là 14,2 (lần/100 km. 12 luan an 350 Tổng số sự cố 300 Sự cố do sét 250 200 Số lần 150 100 50 0 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.

Sự cố theo các năm trên lưới 110 kV do NGC quản lý [2] 20 17.6 5 0 Ninh Bình - Cao Bằng - Thác Bà - Bảo Thắng- Quảng Ninh - Phủ lý Bắc Kạn Tuyên Quang Yên Bái Mông Dương Hình 1.11 Suất cắt của đường dây 110 kV theo thống kê Như vậy, suất cắt thực tế của các đường dây truyền tải thuộc NGC cũng lớn hơn chỉ tiêu từ 2 đến 3 lần (Bảng 1.2), một số đường dây 110 kV của NGC lớn hơn chỉ tiêu đến 20 lần như đường dây Bảo Thắng - Yên Bái, Quảng Ninh - Mông Dương. So sánh đơn giản như vậy để thấy rằng các đơn vị vận hành các đường dây truyền tải đang gặp rất nhiều khó khăn trong việc vận hành ổn định đường dây, đặc biệt đối với các sự cố do sét.2 Chỉ tiêu suất cắt đối với các đường dây 110 kV của NGC [11] Chỉ tiêu suất cắt (lần/100 km.năm) 2016 2017 2018 2019 2020 Kéo dài 0,88 0,78 0,70 0,62 0,55 Thoáng qua 0,88 0,78 0,70 0,62 0,55 1. Tình hình sự cố do sét trên đường dây truyền tải trên thế giới Theo số liệu trong các báo cáo khoa học về sự cố do sét trên một số đường dây truyền của một số nước trên thế giới như Trung Quốc, Malaysia, Nhật Bản, Mexico, Columbia, Brazil, Mỹ, Pháp [12], [13], [14], [15], [16], [17] thì số vụ sự cố do sét trên đường dây truyền tải của một số nước trên thế giới cũng tương tự như trên đường dây truyền tải Việt Nam chiếm từ 50% - 70% tổng số vụ sự cố: 13 luan an  Trung Quốc [12]: Số liệu thống kê sự cố các đường dây 500 kV - 220 kV - 110 kV từ 2005 đến 2011 của lưới điện phía nam Trung Quốc, lưới điện HuBei, và lưới điện Hejiang thì sự cố do sét chiếm 87,1%.  Malaysia [13] từ năm 2008 đến2015 sự cố gây cắt điện trên lưới truyền tải là 70% do sét.

 Mexico: Theo [14], [15] tại công ty điện lực Comisión Federal de Electricidad (CFF) trong năm 2005 sự cố do sét chiếm 42% trên tổng sự cố trong khi năm 2006 chiếm 49% trên đường dây 230 kV. Đối với đường dây 400kV sự cố do sét năm 2005 và 2006 lần lượt là 38% và 47% trên tổng số sự cố.