Kỹ Thuật Điện Cao Áp và Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện

Tài liệu nghiên cứu Kỹ thuật điện cao áp t 2 quá điện áp trong hệ thống điện, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TPHCM
• Chuyên ngành: Hệ Thống Điện
• Đề tài: Kỹ Thuật Điện Cao Áp: Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: Tài Liệu Tham Khảo
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: SEÙT - NGUOÀN GOÁC CUÛA QUAÙ ÑIEÄN AÙP KHÍ QUYEÅN
• 1.1. Caùc giai ñoaïn phaùt trieån cuûa phoùng ñieän seùt
• 1.2. Caùc tham soá chuû yeáu cuûa seùt - cöôøng ñoä hoaït ñoäng cuûa seùt
• 2. CHƯƠNG 2: QUAÙ TRÌNH SOÙNG TREÂN ÑÖÔØNG DAÂY TAÛI ÑIEÄN
• 2.1. Söï truyeàn soùng ñieän töø treân ñöôøng daây khoâng toån hao
• 2.2. Hieän töôïng phaûn xaï vaø khuùc xaï cuûa soùng: qui taéc Petersen
• 2.3. Söï phaûn söï nhieàu laàn cuûa soùng
• 2.4. Vaøi phöông phaùp tính toaùn quaù trình truyeàn soùng baèng ñoà thò
• 2.5. Qui taéc veà soùng ñaúng trò
• 2.6. Quaù trình truyeàn soùng trong heä thoáng nhieàu daây daãn
• 2.7. Söï bieán daïng cuûa soùng
• 3. CHƯƠNG 3: BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT ÑAÙNH TRÖÏC TIEÁP CHO HEÄ THOÁNG ÑIEÄN
• 3.1. Khaùi nieäm chung
• 3.2. Xaùc ñònh phaïm vi baûo veä cuûa coät thu seùt - moâ hình A
• 3.3. Phaïm vi baûo veä cuûa daây choáng seùt
• 3.4. Caùc yeâu caàu kyõ thuaät kinh teá khi duøng heä thoáng coät thu seùt ñeå baûo veä seùt ñaùnh thaúng cho traïm bieán aùp vaø nhaø maùy ñieän
• 4. CHƯƠNG 4: LYÙ THUYEÁT MOÂ HÌNH ÑIEÄN HÌNH HOÏC
• 4.1. Caùc khaùi nieäm chung
• 4.2. Ñieän trôû taûn noái ñaát ôû taàn soá coâng nghieäp R~
• 4.3. Ñieän trôû taûn cuûa noái ñaát choáng seùt
• 4.4. AÛnh höôûng cuûa chaát ñaát vaø thôøi tieát ñeán ñieän trôû noái ñaát
• 4.5. Caùc yeâu caàu veà kinh teá kyõ thuaät khi thieát keá heä thoáng noái ñaát cho traïm vaø ñöôøng daây taûi ñieän
• 4.6. Phöông phaùp dieän tích ñeå tính ñieän trôû taûn cuûa löôùi noái ñaát
• 5. CHƯƠNG 5: BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT CHO ÑÖÔØNG DAÂY TAÛI ÑIEÄN
• 5.1. Ñöôøng loái toång quaùt ñeå tính toaùn chæ tieâu choáng seùt cuûa ñöôøng daây taûi ñieän
• 5.2. Quaù ñieän aùp caûm öùng
• 5.3. Seùt ñaùnh tröïc tieáp vaøo ñöôøng daây khoâng coù daây choáng seùt
• 5.4. Seùt ñaùnh treân ñöôøng daây coù daây choáng seùt
• 6. CHƯƠNG 6: THIEÁT BÒ CHOÁNG SEÙT
• 6.1. Khaùi nieäm chung
• 6.2. Khe hôû baûo veä
• 6.3. Thieát bò choáng seùt kieåu oáng
• 6.4. Thieát bò choáng seùt van (CSV)
• 6.5. Thieát bò haïn cheá QÑA hay CSV khoâng coù khe hôû
• 7. CHƯƠNG 7: BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT TRUYEÀN VAØO TRAÏM PHAÂN PHOÁI ÑIEÄN
• 7.1. Khaùi nieäm chung
• 7.2. Bieän phaùp vaø yeâu caàu ñoái vôùi vieäc baûo veä choáng seùt truyeàn vaøo traïm
• 7.3. Sô ñoà nguyeân lyù baûo veä traïm
• 7.4. Tham soá tính toaùn cuûa soùng seùt truyeàn vaøo traïm vaø caùch tính chæ tieâu chòu seùt cuûa traïm
• 7.5. Ñieän aùp treân caùch ñieän cuûa traïm
• 8. CHƯƠNG 8: BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT CHO MAÙY ÑIEÄN QUAY
• 8.1. Baûo veä caùch ñieän maùy ñieän quay choáng soùng seùt truyeàn vaøo theo ñöôøng daây treân khoâng
• 8.2. Baûo veä choáng seùt cho maùy ñieän quay ñaáu vaøo ñöôøng daây treân khoâng qua maùy bieán aùp
• 9. CHƯƠNG 9: QUAÙ ÑIEÄN AÙP NOÄI BOÄ - NHÖÕNG TÍNH CHAÁT CHUNG CUÛA QUAÙ ÑIEÄN AÙP NOÄI BOÄ TRONG HEÄ THOÁNG ÑIEÄN
• 9.1. Phaân loaïi Quaù ñieän aùp noäi boä
• 9.2. Vaán ñeà noái ñaát ñieåm trung tính cuûa heä thoáng ñieän
• 10. CHƯƠNG 10: QUAÙ ÑIEÄN AÙP KHI CHAÏM ÑAÁT MOÄT PHA BAÈNG HOÀ QUANG TRONG LÖÔÙI COÙ TRUNG TÍNH CAÙCH ÑIEÄN
• 10.1. Chaïm ñaát moät pha oån ñònh
• 10.2. Dieãn bieán cuûa quaù trình chaïm ñaát moät pha
• 10.3. Noái ñaát ñieåm trung tính qua cuoän daäp hoà quang
• 11. CHƯƠNG 11: QUAÙ ÑIEÄN AÙP COÄNG HÖÔÛNG
• 11.1. Khaùi nieäm chung
• 11.2. Coäng höôûng ñieàu hoøa
• Taøi lieäu tham khaûo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Kỹ Thuật Điện Cao Áp Và Quá Điện Áp

Kỹ thuật điện cao áp là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện, liên quan đến việc truyền tải và phân phối điện năng ở mức điện áp cao. Quá điện áp trong hệ thống điện có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng, từ hư hỏng thiết bị đến mất an toàn cho con người. Việc hiểu rõ về quá điện áp và các biện pháp bảo vệ là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.

1.1. Khái Niệm Về Kỹ Thuật Điện Cao Áp

Kỹ thuật điện cao áp liên quan đến việc sử dụng điện áp cao để truyền tải điện năng. Điều này giúp giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải. Hệ thống điện cao áp thường được sử dụng trong các trạm biến áp và đường dây truyền tải.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện

Quá điện áp có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân như sét đánh, sự thay đổi đột ngột trong tải hoặc sự cố trong hệ thống. Hiểu rõ về quá điện áp giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống điện an toàn và hiệu quả hơn.

II. Các Vấn Đề Liên Quan Đến Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện

Quá điện áp có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống điện, bao gồm hư hỏng thiết bị, mất điện và thậm chí là nguy hiểm cho con người. Việc nhận diện và xử lý kịp thời các tình huống quá điện áp là rất quan trọng.

2.1. Nguyên Nhân Gây Ra Quá Điện Áp

Các nguyên nhân chính gây ra quá điện áp bao gồm sét đánh, sự thay đổi đột ngột trong tải và các sự cố trong hệ thống điện. Mỗi nguyên nhân đều có những đặc điểm riêng và cần được xử lý khác nhau.

2.2. Hệ Quả Của Quá Điện Áp Đối Với Thiết Bị

Quá điện áp có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho các thiết bị điện, bao gồm máy biến áp, máy phát điện và các thiết bị điện tử khác. Điều này không chỉ gây thiệt hại về tài chính mà còn ảnh hưởng đến an toàn của hệ thống.

III. Phương Pháp Bảo Vệ Chống Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện

Để bảo vệ hệ thống điện khỏi quá điện áp, có nhiều phương pháp và thiết bị được sử dụng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

3.1. Sử Dụng Thiết Bị Bảo Vệ Quá Điện Áp

Các thiết bị bảo vệ quá điện áp như thiết bị chống sét, bộ lọc và các thiết bị bảo vệ khác giúp ngăn chặn sự gia tăng đột ngột của điện áp trong hệ thống điện.

3.2. Thiết Kế Hệ Thống Điện An Toàn

Thiết kế hệ thống điện với các biện pháp bảo vệ chống quá điện áp là rất quan trọng. Điều này bao gồm việc lựa chọn đúng loại dây dẫn, thiết bị và cách bố trí hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kỹ Thuật Điện Cao Áp

Kỹ thuật điện cao áp không chỉ được áp dụng trong truyền tải điện mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp, giao thông và viễn thông. Việc áp dụng đúng kỹ thuật sẽ mang lại hiệu quả cao và an toàn.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, kỹ thuật điện cao áp được sử dụng để cung cấp điện cho các máy móc và thiết bị lớn. Điều này giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí vận hành.

4.2. Ứng Dụng Trong Giao Thông

Kỹ thuật điện cao áp cũng được áp dụng trong hệ thống giao thông, đặc biệt là trong các hệ thống điện cho tàu điện và xe điện. Điều này giúp cải thiện hiệu quả và an toàn cho người sử dụng.

V. Kết Luận Về Kỹ Thuật Điện Cao Áp Và Quá Điện Áp

Kỹ thuật điện cao áp và quá điện áp là những vấn đề quan trọng trong ngành điện. Việc hiểu rõ về chúng sẽ giúp các kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện an toàn và hiệu quả hơn.

5.1. Tương Lai Của Kỹ Thuật Điện Cao Áp

Với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật điện cao áp sẽ tiếp tục được cải tiến và áp dụng rộng rãi hơn trong tương lai. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và an toàn cho hệ thống điện.

5.2. Những Thách Thức Cần Đối Mặt

Mặc dù có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc quản lý quá điện áp và bảo vệ hệ thống điện. Cần có những nghiên cứu và giải pháp mới để giải quyết những vấn đề này.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Kỹ Thuật Điện Cao Áp: Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện do tác giả Hoàng Việt biên soạn, được phát hành bởi Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM. Trong khung chương trình đào tạo kỹ sư ngành Hệ thống điện và Kỹ thuật Điện, tài liệu đóng vai trò là giáo trình chuyên ngành cốt lõi thuộc khối kiến thức Kỹ thuật Điện cao áp, cung cấp cơ sở phân tích sự làm việc của cách điện công trình điện dưới tác động của các loại điện áp gia tăng đột ngột.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc trang bị cho người học:

• Bản chất vật lý, cơ chế phát sinh và các thông số đặc trưng của quá điện áp khí quyển (do phóng điện sét) và quá điện áp nội bộ (do thao tác đóng cắt, chạm đất hồ quang, hiện tượng cộng hưởng).
• Phương pháp mô hình hóa và tính toán giải tích quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây tải điện và sóng truyền vào trạm phân phối.
• Nguyên lý tính toán, lựa chọn thông số và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét (cột thu sét, dây chống sét, hệ thống nối đất, thiết bị chống sét van ZnO) nhằm đảm bảo phối hợp cách điện an toàn cho thiết bị điện.

Cấu trúc giáo trình gồm 11 chương lý thuyết chuyên đề, kết thúc bằng hệ thống câu hỏi ôn tập môn học (trang 260) và danh mục tài liệu tham khảo (trang 272). Cách tiếp cận của tài liệu đi từ hiện tượng vật lý vi mô (quá trình ion hóa, kênh plasma, sóng điện từ d'Alembert) đến các công thức kỹ thuật thực hành và số liệu thống kê khí tượng dông sét thực tế tại các vùng miền Việt Nam.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        TIẾN TRÌNH NỘI DUNG GIÁO TRÌNH                             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Nguồn gốc kích động: Phóng điện sét & Tham số sóng sét (Chương 1)               |
|                                    ↓                                              |
| 2. Cơ sở giải tích: Quá trình truyền sóng & Quy tắc Petersen (Chương 2)            |
|                                    ↓                                              |
| 3. Bảo vệ công trình: Nối đất, Cột/Dây thu sét & Chống sét đường dây (Chương 3-5)  |
|                                    ↓                                              |
| 4. Thiết bị & Phối hợp cách điện: Chống sét van, Trạm biến áp & Máy quay (Chương 6-8)|
|                                    ↓                                              |
| 5. Quá điện áp nội bộ: Nối đất trung tính, Chạm đất hồ quang, Cộng hưởng (Chương 9-11)|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình phân chia toàn bộ nội dung thành 11 chương với mạch phát triển logic chặt chẽ:

• Chương 1: Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển: Khảo sát cơ chế hình thành mây dông tích điện ($10^7 \div 10^8\text{ V}$, năng lượng trung bình khoảng $250\text{ kWh}$), ba giai đoạn phát triển phóng điện sét (tiên đạo bậc $10^5 \div 10^6\text{ m/s}$, phóng điện chính/ngược $1,5 \cdot 10^7 \div 1,5 \cdot 10^8\text{ m/s}$, giai đoạn kết thúc). Phân tích các thông số dòng điện sét: biên độ $i_s$, độ dốc đầu sóng $a = di/dt$, dạng sóng chuẩn $1,2/50\ \mu\text{s}$, phân bố xác suất biên độ theo công thức thực nghiệm cho vùng đồng bằng ($v_{is} = 10^{-i_s/60}$) và vùng núi ($v_{is} = 10^{-i_s/30}$). Tích hợp số liệu dông sét thực tế tại Việt Nam với 5 phân vùng dông sét (A, B, C, D, E).
• Chương 2: Quá trình sóng trên đường dây tải điện: Thiết lập hệ phương trình vi phân đường dây không tổn hao, nghiệm sóng chạy d'Alembert ($u = u^+ + u^-$), xác định tổng trở sóng $Z = \sqrt{L_0/C_0}$ ($450 \div 550\ \Omega$ cho đường dây trên không; $5 \div 40\ \Omega$ cho cáp ngầm) và vận tốc truyền sóng $v = 1/\sqrt{L_0 C_0}$. Trình bày quy tắc Petersen để xác định hệ số khúc xạ $\alpha_u = 2Z_2/(Z_1 + Z_2)$ và hệ số phản xạ $\beta_u = (Z_2 - Z_1)/(Z_1 + Z_2)$. Phân tích biến đổi Laplace cho mạch có điện dung $C$, điện cảm $L$, mạch dao động $LC$ và quá trình sóng phản xạ nhiều lần trên đoạn dây ngắn trung gian $Z_0$.
• Chương 3: Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho hệ thống điện: Khái niệm và phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét đơn/kép (mô hình A), phạm vi bảo vệ của dây chống sét; lý thuyết mô hình điện hình học (Electrogeometric Model) và yêu cầu kỹ thuật - kinh tế bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp, nhà máy điện.
• Chương 4: Nối đất trong hệ thống điện: Cơ chế tản dòng điện trong đất; tính toán điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp $R_\sim$ và điện trở tản xung sét; ảnh hưởng của điện trở suất chất đất, độ ẩm, thời tiết; phương pháp diện tích tính điện trở tản của lưới nối đất trạm biến áp.
• Chương 5: Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện: Phương pháp tổng quát tính toán chỉ tiêu chống sét (suất cắt điện do sét); phân tích quá điện áp cảm ứng ($U \le 35\text{ kV}$); tính toán trường hợp sét đánh vào cột điện, khoảng vượt của đường dây có hoặc không có dây chống sét.
• Chương 6: Thiết bị chống sét: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính vôn-giây của khe hở bảo vệ, chống sét ống, chống sét van (CSV) có khe hở phóng điện và thiết bị hạn chế quá điện áp không khe hở sử dụng điện trở phi tuyến oxit kim loại (ZnO).
• Chương 7: Bảo vệ chống sét truyền vào trạm phân phối điện: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ trạm phân phối điện; tính toán thông số sóng sét truyền từ đường dây vào trạm; ảnh hưởng của số lượng đường dây nối vào thanh cái ($n$ đường dây); điện áp tác dụng lên cách điện của trạm biến áp.
• Chương 8: Bảo vệ chống sét cho máy điện quay: Các giải pháp kỹ thuật bảo vệ cách điện máy điện quay nối trực tiếp với đường dây trên không hoặc đấu qua máy biến áp trung gian.
• Chương 9: Quá điện áp nội bộ - Những tính chất chung: Phân loại các dạng quá điện áp nội bộ; phân tích ảnh hưởng của chế độ nối đất điểm trung tính (trung tính cách điện, trung tính nối đất trực tiếp, trung tính nối đất qua trở kháng) đến mức quá điện áp.
• Chương 10: Quá điện áp khi chạm đất một pha bằng hồ quang trong lưới có trung tính cách điện: Quá trình chạm đất một pha ổn định; diễn biến quá độ chạm đất chập chờn sinh hồ quang; nguyên lý dập hồ quang tự động bằng cuộn dập hồ quang Petersen.
• Chương 11: Quá điện áp cộng hưởng: Khái niệm cộng hưởng điện từ trong hệ thống điện; cơ chế phát sinh quá điện áp cộng hưởng điều hòa và tự kích từ.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng trên nền tảng ba khối kiến thức lý thuyết cơ bản:

1. Lý thuyết trường điện từ và quá trình ion hóa trong chất khí: Mô tả cơ chế phóng điện khoảng cách lớn, sự hình thành dòng plasma, quá trình phân cực điện tích trong khí quyển.
2. Lý thuyết mạch quá độ và thông số rải: Giải hệ phương trình vi phân vi mô bằng tích phân Fourier và phép biến đổi toán tử Laplace để giải bài toán sóng chạy trên lưới phân nhánh phức tạp.
3. Lý thuyết xác suất thống kê kỹ thuật: Sử dụng các hàm phân bố xác suất thực nghiệm để tính toán biên độ dòng sét, độ dốc sóng sét và chỉ tiêu suất sự cố cách điện.

Kỹ năng phát triển

Người học hoàn thành giáo trình sẽ hình thành các kỹ năng chuyên môn:

• Kỹ năng phân tích kỹ thuật: Phân tích quá trình phản xạ, khúc xạ sóng quá điện áp tại các điểm nút thay đổi tổng trở (thanh cái trạm, điểm chuyển tiếp cáp - đường dây trên không).
• Kỹ năng tính toán thiết kế: Tính toán vùng bảo vệ của kim thu sét, dây chống sét theo mô hình điện hình học; tính toán mạng lưới nối đất trạm phân phối; tính chọn vị trí lắp đặt và thông số kỹ thuật của chống sét van.
• Kỹ năng đánh giá vận hành: Đánh giá mức độ nguy hiểm của các dạng quá điện áp nội bộ (chạm đất hồ quang, cộng hưởng) để đề xuất chế độ nối đất trung tính và trang bị cuộn dập hồ quang thích hợp.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm diễn dịch kết hợp giải tích và số liệu thực nghiệm:

• Mô hình hóa toán học: Mọi hiện tượng vật lý đều được thiết lập bằng sơ đồ thay thế tương đương (sơ đồ Petersen, mạch tham số rải $L_0, C_0$, mạch dao động $LC$), sau đó giải tích toán học tường minh từ miền tần số/Laplace sang miền thời gian thực.
• Bài toán kỹ thuật mẫu: Minh họa trực tiếp cách giải quyết các cấu hình lưới điện thực tế: tính điện áp thanh cái khi có $n$ đường dây đấu vào trạm ($u_k = \frac{2}{n} u_t$), tác dụng giảm độ dốc đầu sóng của tụ điện $C$ mắc song song hoặc cuộn cảm $L$ mắc nối tiếp ($T_C = C \cdot \frac{Z_1 Z_2}{Z_1 + Z_2}$, $T_L = \frac{L}{Z_1 + Z_2}$).
• Hệ thống câu hỏi ôn tập môn học (trang 260 - 271): Cung cấp hệ thống câu hỏi lý thuyết tổng hợp và câu hỏi phân tích, hỗ trợ giảng viên xây dựng đề thi đánh giá và định hướng cho sinh viên tự học, tự kiểm tra kiến thức trước các kỳ thi kết thúc học phần.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                  PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU & HỌC TẬP TÀI LIỆU                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| [Lý thuyết vật lý]  --> [Thiết lập mô hình giải tích] --> [Áp dụng số liệu thực tế]|
| - Cơ chế phóng điện     - Sơ đồ tương đương Petersen      - 5 phân vùng sét VN    |
| - Sóng d'Alembert       - Biến đổi toán tử Laplace        - Dạng sóng chuẩn 1,2/50|
|                         - Phương trình sóng vi phân       - Xác suất biên độ is   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

---

Điểm nổi bật và cập nhật

1. Tích hợp số liệu dông sét thực tế tại Việt Nam: Giáo trình trích dẫn kết quả đo đạc từ Trạm nghiên cứu sét Gia Sàng (Thái Nguyên - 1987) và chuỗi số liệu quan sát khí tượng từ hơn 100 trạm trên toàn quốc giai đoạn 1981-1990 (tài liệu tham khảo [12]). Phân loại lãnh thổ Việt Nam thành 5 vùng đặc trưng dông sét:

   • Khu vực A (Đồng bằng ven biển miền Bắc): Dông sét hoạt động mạnh nhất, tập trung tháng 5-9 (cực đại tháng 8), trung bình 1 ngày sét kéo dài 4 giờ.
   • Khu vực B (Miền núi trung du miền Bắc): Mùa sét dài nhất (tháng 3-9, cực đại tháng 7), trung bình 3,5 giờ/ngày sét.
   • Khu vực C (Miền núi trung du miền Trung): Diễn biến 2 đỉnh dông vào tháng 5 và tháng 8-9.
   • Khu vực D (Ven biển miền Trung): 2 cực đại dông vào tháng 5 và tháng 8, mùa sét từ tháng 2 đến tháng 11.
   • Khu vực E (Đồng bằng miền Nam): Số ngày dông lớn, tập trung từ tháng 5 đến tháng 10. Giáo trình cung cấp các thông số đo đạc thực nghiệm bằng dao động ký tự động: dòng sét cực đại $I_{\max} = 90,97\text{ kA}$, độ dốc cực đại $A_{\max} = 65,8\text{ kA/\mu s}$.

2. Cập nhật công nghệ thiết bị bảo vệ: Phân tích từ các thiết bị truyền thống (khe hở phóng điện, chống sét ống, chống sét van SiC có khe hở) đến thiết bị chống sét oxit kim loại không khe hở (chống sét van ZnO/MOV), làm rõ đặc tính phi tuyến và khả năng hấp thụ năng lượng xung sét.

3. Mô hình tính toán giải tích chuẩn mực: Trình bày chi tiết phương pháp sóng chạy trên hệ thống nhiều dây dẫn, sự biến dạng của sóng do điện trở đất và vầng quang, cùng quy tắc Petersen trong môi trường toán tử Laplace.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 theo học các ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật Năng lượng tại các trường đại học kỹ thuật.
• Học viên cao học: Học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các học phần nâng cao về Phối hợp cách điện, Quá trình quá độ trong hệ thống điện và Thiết kế trạm biến áp cao áp.
• Điều kiện tiên quyết: Người học cần có kiến thức nền tảng về Giải tích (phương trình vi phân, biến đổi Laplace), Lý thuyết Mạch điện (mạch tham số rải, quá trình quá độ), Trường điện từ và Kỹ thuật Điện cao áp cơ bản (quá trình phóng điện trong chất khí, chất lỏng, chất rắn).
• Giảng viên và kỹ sư thực hành: Tài liệu làm khung bài giảng môn Quá điện áp / Kỹ thuật Điện cao áp; làm tài liệu tham khảo kỹ thuật cho kỹ sư tư vấn thiết kế, kỹ sư vận hành lưới điện truyền tải và phân phối thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên, học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện và các kỹ sư đang công tác trong lĩnh vực thiết kế, vận hành hệ thống điện cao áp.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền nào trước khi học?

Người học cần nắm vững kiến thức về Toán giải tích (đặc biệt là biến đổi Laplace và phương trình vi phân đạo hàm riêng), Lý thuyết Mạch điện (quá trình quá độ, mạch thông số rải) và Vật lý điện từ trường.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu khác là gì?

Giáo trình kết hợp giữa cơ sở lý thuyết toán học giải tích chặt chẽ (hệ phương trình sóng, quy tắc Petersen) với hệ thống số liệu khí tượng và tham số dông sét thực tế đo đạc tại các vùng miền của Việt Nam (thông số trạm Gia Sàng, phân loại 5 vùng A-E).

4. Làm thế nào để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học nên kết hợp việc đọc hiểu các mô hình vật lý ở Chương 1-2, tự thực hiện các bước biến đổi toán học của sơ đồ Petersen và mạch phản xạ nhiều lần, sau đó hoàn thành toàn bộ hệ thống câu hỏi ôn tập tại trang 260 của sách.

5. Giáo trình có kèm tài liệu bổ trợ hoặc bài tập ôn tập không?

Cuốn sách tích hợp phần "Các câu hỏi ôn tập môn học Quá điện áp" từ trang 260 đến trang 271, hệ thống hóa các câu hỏi lý thuyết và bài toán kỹ thuật trọng tâm của toàn bộ 11 chương, kèm danh mục 272 trang tài liệu tham khảo chuyên ngành.

---

Kết luận

Giáo trình Kỹ Thuật Điện Cao Áp: Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Điện của tác giả Hoàng Việt là tài liệu học thuật chuyên khảo mang tính hệ thống cao, kết hợp toàn diện giữa lý thuyết giải tích quá trình sóng điện từ và thực tiễn kỹ thuật bảo vệ cách điện tại Việt Nam.

Lộ trình học tập đề xuất:

1. Nghiên cứu bản chất vật lý và tham số sóng sét (Chương 1).
2. Nắm vững phương pháp giải tích sóng và quy tắc Petersen (Chương 2).
3. Vận dụng tính toán bảo vệ chống sét đánh thẳng, hệ thống nối đất và bảo vệ đường dây, trạm phân phối, máy điện quay (Chương 3 đến Chương 8).
4. Phân tích các chế độ quá điện áp nội bộ và phương pháp hạn chế (Chương 9 đến Chương 11).
5. Tự đánh giá năng lực thông qua hệ thống câu hỏi ôn tập chuyên đề ở phần cuối sách.

Trích đoạn nội dung tài liệu

2 MUÏC LUÏC Lôøi noùi ñaàu 5. SEÙT - NGUOÀN GOÁC CUÛA QUAÙ ÑIEÄN AÙP KHÍ QUYEÅN .1 Caùc giai ñoaïn phaùt trieån cuûa phoùng ñieän seùt .2 Caùc tham soá chuû yeáu cuûa seùt - cöôøng ñoä hoaït ñoäng cuûa seùt. QUAÙ TRÌNH SOÙNG TREÂN ÑÖÔØNG DAÂY TAÛI ÑIEÄN .1 Söï truyeàn soùng ñieän töø treân ñöôøng daây khoâng toån hao .2 Hieän töôïng phaûn xaï vaø khuùc xaï cuûa soùng: qui taéc Petersen .3 Söï phaûn söï nhieàu laàn cuûa soùng .4 Vaøi phöông phaùp tính toaùn quaù trình truyeàn soùng baèng ñoà thò .5 Qui taéc veà soùng ñaúng trò .6 Quaù trình truyeàn soùng trong heä thoáng nhieàu daây daãn .7 Söï bieán daïng cuûa soùng. BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT ÑAÙNH TRÖÏC TIEÁP CHO HEÄ THOÁNG ÑIEÄN .1 Khaùi nieäm chung .2 Xaùc ñònh phaïm vi baûo veä cuûa coät thu seùt - moâ hình A.3 Phaïm vi baûo veä cuûa daây choáng seùt .4 Caùc yeâu caàu kyõ thuaät kinh teá khi duøng heä thoáng coät thu seùt ñeå baûo veä seùt ñaùnh thaúng cho traïm bieán aùp vaø nhaø maùy ñieän.

Lyù thuyeát moâ hình ñieän hình hoïc. NOÁI ÑAÁT TRONG HEÄ THOÁNG ÑIEÄN .1 Caùc khaùi nieäm chung .2 Ñieän trôû taûn noái ñaát ôû taàn soá coâng nghieäp R~.3 Ñieän trôû taûn cuûa noái ñaát choáng seùt .4 AÛnh höôûng cuûa chaát ñaát vaø thôøi tieát ñeán ñieän trôû noái ñaát .5 Caùc yeâu caàu veà kinh teá kyõ thuaät khi thieát keá heä thoáng noái ñaát cho traïm vaø ñöôøng daây taûi ñieän .6 Phöông phaùp dieän tích ñeå tính ñieän trôû taûn cuûa löôùi noái ñaát. BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT CHO ÑÖÔØNG DAÂY TAÛI ÑIEÄN .1 Ñöôøng loái toång quaùt ñeå tính toaùn chæ tieâu choáng seùt cuûa ñöôøng daây taûi ñieän.2 Quaù ñieän aùp caûm öùng .3 Seùt ñaùnh tröïc tieáp vaøo ñöôøng daây khoâng coù daây choáng seùt .4 Seùt ñaùnh treân ñöôøng daây coù daây choáng seùt. THIEÁT BÒ CHOÁNG SEÙT .1 Khaùi nieäm chung .2 Khe hôû baûo veä .3 Thieát bò choáng seùt kieåu oáng .4 Thieát bò choáng seùt van (CSV) .5 Thieát bò haïn cheá QÑA hay CSV khoâng coù khe hôû.

BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT TRUYEÀN VAØO TRAÏM PHAÂN PHOÁI ÑIEÄN.1 Khaùi nieäm chung .2 Bieän phaùp vaø yeâu caàu ñoái vôùi vieäc baûo veä choáng seùt truyeàn vaøo traïm .3 Sô ñoà nguyeân lyù baûo veä traïm .4 Tham soá tính toaùn cuûa soùng seùt truyeàn vaøo traïm vaø caùch tính chæ tieâu chòu seùt cuûa traïm .5 Ñieän aùp treân caùch ñieän cuûa traïm. BAÛO VEÄ CHOÁNG SEÙT CHO MAÙY ÑIEÄN QUAY .1 Baûo veä caùch ñieän maùy ñieän quay choáng soùng seùt truyeàn vaøo theo ñöôøng daây treân khoâng .2 Baûo veä choáng seùt cho maùy ñieän quay ñaáu vaøo ñöôøng daây treân khoâng qua maùy bieán aùp. QUAÙ ÑIEÄN AÙP NOÄI BOÄ - NHÖÕNG TÍNH CHAÁT CHUNG CUÛA QUAÙ ÑIEÄN AÙP NOÄI BOÄ TRONG HEÄ THOÁNG ÑIEÄN .1 Phaân loaïi Quaù ñieän aùp noäi boä .2 Vaán ñeà noái ñaát ñieåm trung tính cuûa heä thoáng ñieän. QUAÙ ÑIEÄN AÙP KHI CHAÏM ÑAÁT MOÄT PHA BAÈNG HOÀ QUANG TRONG LÖÔÙI COÙ TRUNG TÍNH CAÙCH ÑIEÄN .1 Chaïm ñaát moät pha oån ñònh .2 Dieãn bieán cuûa quaù trình chaïm ñaát moät pha .3 Noái ñaát ñieåm trung tính qua cuoän daäp hoà quang.

QUAÙ ÑIEÄN AÙP COÄNG HÖÔÛNG .1 Khaùi nieäm chung .2 Coäng höôûng ñieàu hoøa. 235 4 Caùc caâu hoûi oân taäp moân hoïc “Quaù ñieän aùp” .260 Taøi lieäu tham khaûo .272 5 Lôøi noùi ñaàu Caùch ñieän cuûa trang thieát bò ñieän aùp cao khoâng chæ chòu taùc duïng thöôøng xuyeân, laâu daøi cuûa ñieän aùp laøm vieäc maø coøn phaûi chòu taùc duïng trong moät thôøi gian ngaén hoaëc raát ngaén cuûa nhöõng ñieän aùp taêng cao ñoät ngoät vöôït xa khaû naêng chòu ñöïng cuûa caùch ñieän. Ñoù laø hieän töôïng quaù ñieän aùp trong heä thoáng ñieän. QUAÙ ÑIEÄN AÙP TRONG HEÄ THOÁNG ÑIEÄN trình baøy nguoàn goác, dieãn bieán vaø thoâng soá cuûa caùc daïng quaù ñieän aùp cuõng nhö caùc bieän phaùp nhaèm ngaên ngöøa, haïn cheá chuùng ñeå baûo veä cho caùch ñieän cuûa caùc trang thieát bò ñieän.

QUAÙ ÑIEÄN AÙP TRONG HEÄ THOÁNG ÑIEÄN ñöôïc bieân soaïn treân cô sôû cuûa cuoán saùch “Quaù ñieän aùp trong heä thoáng ñieän” duøng giaûng daïy cho sinh vieân nhieàu khoùa cuûa ngaønh Heä thoáng ñieän vaø ñöôïc chænh söûa, boå sung caäp nhaät thöôøng xuyeân. Tuy nhieân hieän töôïng quaù ñieän aùp, ñaëc bieät laø quaù ñieän aùp noäi boä raát ña daïng vaø phöùc taïp, maø thôøi löôïng cho pheùp ñoái vôùi moân hoïc coù giôùi haïn, neân taäp saùch naøy chöa theå ñeà caäp ñaày ñuû moïi daïng quaù ñieän aùp maø chæ neâu moät vaøi daïng tieâu bieåu ñieån hình. Taùc giaû hoan ngheânh vaø xin chaân thaønh caûm ôn moïi goùp yù quyù baùu cuûa ñoäc giaû. Moïi goùp yù xin göûi veà: Boä moân Heä thoáng ñieän Khoa Ñieän - Ñieän töû, Tröôøng Ñaïi hoïc Baùch khoa - Ñaïi hoïc Quoác gia TPHCM.

Hoaøng Vieät 7 Chöông 1 SEÙT - NGUOÀN GOÁC CUÛA QUAÙ ÑIEÄN AÙP KHÍ QUYEÅN 1.1 CAÙC GIAI ÑOAÏN PHAÙT TRIEÅN CUÛA PHOÙNG ÑIEÄN SEÙT Seùt thöïc chaát laø moät daïng phoùng ñieän tia löûa trong khoâng khí vôùi khoaûng caùch raát lôùn. Chieàu daøi trung bình cuûa khe seùt khoaûng 3÷5 km, phaàn lôùn chieàu daøi ñoù phaùt trieån trong caùc ñaùm maây doâng. Quaù trình phoùng ñieän cuûa seùt töông töï nhö quaù trình phoùng ñieän tia löûa trong ñieän tröôøng raát khoâng ñoàng nhaát vôùi khoaûng caùch phoùng ñieän lôùn. Chính söï töông töï ñoù ñaõ cho pheùp moâ phoûng seùt trong phoøng thí nghieäm ñeå nghieân cöùu nhöõng qui luaät cuûa noù vaø nghieân cöùu nhöõng bieän phaùp baûo veä choáng seùt.

Hieån nhieân, seùt khaùc vôùi phoùng ñieän trong khoâng khí tieán haønh trong phoøng thí nghieäm khoâng chæ ôû qui moâ maø coøn ôû ñaëc ñieåm rieâng bieät cuûa nguoàn ñieän aùp cuûa noù töùc laø nhöõng ñaùm maây doâng tích ñieän. Thöïc teá, söï hình thaønh caùc côn doâng luoân luoân gaén lieàn vôùi söï xuaát hieän cuûa nhöõng luoàng khoâng khí noùng aåm khoång loà töø maët ñaát boác leân. Caùc luoàng khoâng khí naøy ñöôïc taïo thaønh hoaëc do söï ñoát noùng maët ñaát bôûi aùnh naéng maët trôøi, ñaëc bieät ôû caùc vuøng cao (doâng nhieät) hoaëc do söï gaëp nhau cuûa nhöõng luoàng khoâng khí noùng aåm vôùi khoâng khí laïnh naëng (doâng front), luoàng khoâng khí noùng aåm bò ñaåy leân treân. ÔÛ caùc vuøng ñoài nuùi cao, caùc luoàng khoâng khí noùng aåm tröôøn theo söôøn nuùi leân cao ñoù laø doøng ñòa hình.

Sau khi ñaõ ñaït ñöôïc moät ñoä cao nhaát ñònh (khoaûng vaøi km trôû leân), luoàng khoâng khí noùng aåm naøy ñi vaøo vuøng nhieät ñoä aâm, bò laïnh ñi, hôi nöôùc ngöng tuï laïi thaønh nhöõng gioït nöôùc li ti hoaëc thaønh caùc tinh theå baêng. Chuùng taïo thaønh caùc ñaùm maây doâng (H.1), coøn ñöôïc goïi laø maây tích vuõ (Cumuloninbus).1 Söï phaân boá ñieän tích trong moät ñaùm maây doâng Töø laâu, ngöôøi ta ñaõ khaúng ñònh veà nguoàn taïo ra ñieän tröôøng khoång loà giöõa caùc maây doâng vaø maët ñaát chính laø nhöõng ñieän tích tích tuï treân caùc haït nöôùc li ti vaø caùc tinh theå baêng cuûa caùc ñaùm maây doâng ñoù. Nhöng do ñaâu coù söï nhieãm ñieän cuûa caùc haït nöôùc vaø tinh theå baêng cuõng nhö söï phaân li caùc ñieän tích thì coù nhieàu giaû thuyeát khaùc nhau vaø chöa ñöôïc hoaøn toaøn nhaát trí (trong phaïm vi cuoán saùch naøy seõ khoâng ñi saâu vaøo caùc giaû thuyeát ñoù). Ví duï, coù giaû thuyeát cho raèng, döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng cuûa quaû ñaát (quaû ñaát mang moät ñieän tích aâm khoaûng – 5,4×10+5C), caùc haït nöôùc bò phaân cöïc, ñaàu döôùi nhaän ñieän tích döông vaø ñaàu treân nhaän ñieän tích aâm (H.

Caùc gioït nöôùc lôùn, do troïng löôïng cuûa noù rôi xuoáng gaëp caùc ion töï do (gaàn maët ñaát coù khoaûng 600 ñoâi ion trong moät cm3 khoâng khí, caøng leân cao maät ñoä ion caøng cao) bay chaäm hôn trong khoâng khí, haáp thuï caùc ion aâm baèng ñaàu döông cuûa noù ôû phía tröôùc vaø ñaåy caùc ion döông töï do ra xa. Keát quaû laø gioït nöôùc mang ñieän tích aâm thöøa. Caùc gioït nöôùc beù ñaõ phaân cöïc, thì bò caùc luoàng khoâng khí ñaåy leân phía treân haáp thuï caùc ion döông baèng ñaàu aâm cuûa mình, ñaåy ion aâm töï do ra xa vaø do ñoù mang ñieän tích döông thöøa. Nhö vaäy theo giaû thuyeát naøy, phaàn döôùi cuûa caùc ñaùm maây doâng mang ñieän tích aâm, phuø hôïp vôùi thöïc teá laø phaàn lôùn caùc phoùng ñieän seùt xuoáng ñaát (80÷90%) coù cöïc tính aâm.

Nhöng giaû thuyeát naøy vaãn 9 chöa giaûi thích ñöôïc moät thöïc teá, laø hôn moät nöûa theå tích cuûa ñaùm maây khoâng phaûi ñöôïc taïo thaønh töø caùc gioït nöôùc maø töø caùc tinh theå baêng vaø boâng tuyeát maø hình daïng vaø caáu taïo cuûa chuùng laøm cho chuùng khoù coù theå bò phaân cöïc bôûi ñieän tröôøng cuûa quaû ñaát. Toùm laïi, caùc giaû thuyeát cho ñeán nay ñeàu chöa giaûi thích ñöôïc moät caùch trieät ñeå veà nguoàn ñieän tích cuûa caùc ñaùm maây doâng vaø söï phaân li chuùng, khieán ngöôøi ta nghó raèng trong thöïc teá coù theå coù nhieàu nguyeân nhaân ñoàng thôøi taùc ñoäng vaø raát phöùc taïp. Nhöng coù ñieàu chaéc chaén laø trong suoát côn doâng, caùc ñieän tích döông vaø ñieän tích aâm bò caùc luoàng khoâng khí maõnh lieät taùch rôøi nhau, gaén lieàn vôùi söï phaân boá caùc tinh theå baêng tuyeát treân taàng ñænh vaø caùc gioït nöôùc möa ôû taàng ñaùy cuûa ñaùm maây doâng. Söï taùch rôøi ñieän tích naøy tuøy thuoäc vaøo ñoä cao cuûa ñaùm maây, naèm trong khoaûng töø 200÷10.000m, vôùi taâm cuûa chuùng caùch nhau öôùc khoaûng töø 300÷5000m.

Löôïng ñieän tích trong caùc ñaùm maây tham gia vaøo côn seùt vaøo khoaûng töø 1÷100C vaø coù theå cao hôn. Ñieän theá cuûa caùc ñaùm maây doâng vaøo khoaûng 107÷108V. Naêng löôïng toûa ra bôûi moät côn seùt khoaûng 250kWh. Keát quaû quan traéc cho thaáy phaàn döôùi cuûa caùc ñaùm maây doâng chuû yeáu chöùa ñieän tích aâm, do ñoù caûm öùng treân maët ñaát nhöõng ñieän tích döông töông öùng vaø taïo neân moät tuï ñieän khoâng khí khoång loà.

Cöôøng ñoä ñieän tröôøng trung bình nôi ñoàng nhaát thöôøng ít khi quaù 1kV/cm, nhöng caù bieät nôi maät ñoä ñieän tích cao, hoaëc nôi coù vaät daãn ñieän toát nhoâ leân cao treân maët ñaát ñieän tröôøng cuïc boä coù theå cao hôn nhieàu vaø coù theå ñaït ñeán ngöôõng ion hoùa khoâng khí (ôû maët ñaát trò soá naøy 25÷30kV/cm vaø caøng leân cao caøng giaûm, ôû ñoä cao moät vaøi km giaûm coøn khoaûng 10kV/cm) seõ gaây ion hoùa khoâng khí taïo thaønh doøng plasma, môû ñaàu cho quaù trình phoùng ñieän seùt phaùt trieån giöõa maây doâng vaø maët ñaát. Quaù trình phoùng ñieän seùt naøy goàm coù ba giai ñoaïn chuû yeáu: 1- Thoaït tieân xuaát phaùt töø maây doâng moät daûi saùng môø keùo daøi töøng ñôït giaùn ñoaïn veà phía maët ñaát vôùi toác ñoä trung bình khoaûng 105÷106 m/s. Ñaáy laø giai ñoaïn phoùng ñieän tieân ñaïo töøng ñôït ñöôïc goïi laø tieân ñaïo baäc (stepped leader). Keânh tieân ñaïo laø moät doøng plasma maät ñoä ñieän tích khoâng cao laém, khoaûng 1013÷1014 ion/m3.