MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khả năng chịu sét của một đường dây truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cách bố trí dây chống sét, kết cấu và nối đất của của cột, sử dụng các thiết bị chống quá điện áp như mỏ phóng, chống sét van, cách điện đường dây…. Trong đó việc thiết kế hệ thống nối đất có vai trò rất quan trọng với mục đích chủ yếu tản dòng điện sét để hạn chế quá điện áp, tránh gây phóng điện trên cách điện của đường dây. Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam được thiết kế dựa theo giá trị điện trở một chiều phù hợp với quy phạm trang bị điện [1].
Vai trò chính của hệ thống nối đất là tản dòng điện sét vào đất khi có sét vào đường dây truyền tải. Dòng điện sét, với đặc trưng có độ dốc cao và thời gian tồn tại ngắn, khi tản trong đất sẽ xuất hiện một điện áp quá độ đặt trên hệ thống nối đất. Khi đó giá trị điện trở một chiều sẽ không thể phản ánh toàn diện hiệu quả của hệ thống nối đất đối với việc tản dòng điện sét. Việc thiếu các nghiên cứu về đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất với dòng điện sét khiến công tác thiết kế, vận hành và quản lý đường dây truyền tải Việt Nam còn gặp các hạn chế như sau: Không lý giải được khi điện trở một chiều nhỏ, nhỏ hơn giá trị quy định nhiều lần nhưng vẫn xảy ra phóng điện do sét.
Vì phụ thuộc vào giá trị của điện trở một chiều mà việc thiết kế và cải thiện hệ thống nối đất chỉ đơn giản bằng cách tăng kích thước điện cực và giảm điện trở suất đất. Hình dạng điện cực, hằng số điện môi, quá trình phóng điện trong đất bị bỏ qua. Chính vì vậy, hiệu quả tản sét của các hệ thống nối đất không đạt được như kỳ vọng, sự cố do sét vẫn xảy tại chính những vị trí cải tạo. Hệ thống nối đất được coi là độc lập với cột và dòng điện sét được giả thiết đi thẳng vào hệ thống nối đất nên bỏ qua quá trình truyền sóng trên cột.
Các hiện tượng phản xạ và khúc xạ tại vị trí giữa cột và hệ thống nối đất bị bỏ qua. Do suất cắt do sét tính toán với điện trở một chiều chỉ đúng khi phóng điện xảy ra ở thời gian đầu sóng dẫn đến khi xác định phóng điện dựa trên các kỹ thuật chính xác hơn như tiêu chuẩn tích phân hoặc phát triển tia tiên đạo sẽ gây sai số lớn. Do phụ thuộc vào điện trở một chiều nên một hệ thống nối đất được thiết kế để có điện trở một chiều thấp tạo nên một cảm giác an toàn “giả tạo” trên phương diện chống sét. Những vị trí có điện trở một chiều thấp tưởng như đã an toàn thực ra có thể vẫn tạo ra điện áp quá độ lớn trên trên cách điện.
Điều này ảnh hưởng rất lớn đến đánh giá độ tin cậy của đường dây trong đó mọi tiêu chí trên phương diện độ tin cậy đều phải tính đến trường hợp xấu nhất. Cuối cùng, trị số điện trở một chiều chỉ có ý nghĩa để ước lượng khả năng tản dòng điện sét của hệ thống nối đất mà không có ý nghĩa về mặt an toàn. Giá trị điện trở một chiều chỉ cho biết trị số điện áp dâng trên hệ thống nối đất mà không xác định trị số điện thế trên mặt đất (điện áp bước và điện áp tiếp xúc) khi hệ thống nối đất đang tản 1 dòng điện sét. Hạn chế này dẫn đến việc không thể so sánh về mặt an toàn giữa các hệ thống nối đất nếu chỉ dựa vào giá trị điện trở một chiều.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn chưa giải quyết được bài toán xác định đáp ứng của hệ thống nối đất do dòng điện sét một cách đầy đủ. Mỗi phương pháp chỉ đúng trong một vài trường hợp cụ thể và có những giới hạn khác nhau. Đối với điều kiện về địa hình và truyền thống thiết kế hệ thống nối đất của Việt Nam hiện vẫn chưa có một nghiên cứu nào đầy đủ về vấn đề này. Do vậy, việc thực hiện đề tài là hết sức cấp thiết để hiểu rõ về phản ứng của hệ thối nối đất đối với dòng điện sét.
Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa cốt lõi trong việc thiết kế một hệ thống nối đất hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời tính toán chính xác khả năng chống sét của đường dây truyền tải. Do các tính toán được thực hiện trên các hệ thống nối đất của đường dây truyền tải của Việt Nam, các kết quả có thể ứng dụng trực tiếp vào các đường dây truyền tải Việt Nam. Mục đích nghiên cứu của luận án Đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu một cách toàn diện về hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải điện của Việt Nam với mục đích định hướng thiết kế hệ thống nối đất chống sét hiệu quả, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành cho đường dây truyền tải Việt Nam. Mục đích nghiên cứu của luận án bao gồm: Tổng hợp các thiết kế điển hình của hệ thống nối đất của các đường dây 220 kV và 500 kV đang vận hành trên lưới truyền tải Việt Nam.
Tổng kết các nghiên cứu và các phương pháp tính toán trong nước và trên thế giới về nối đất cho mục đích chống sét của đường dây truyền tải. Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải trong miền tần số để từ đó nhận dạng các đóng góp cụ thể của từng thành phần điện trở tản, điện cảm và điện dung vào tổng trở xung của hệ thống nối đất ở các tần số khác nhau Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền thời gian, qua đó xác định được điện áp dâng trên hệ thống nối đất trong miền thời gian. Tính toán ảnh hưởng của thông số điện cực cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các điện cực để từ đó xác định chiều dài cũng như khoảng cách giữa các điện cực hiệu quả cho mục đích chống sét Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ion hóa trong đất trong các hệ thống nối đất với các thiết kế điển hình của đường dây truyền tải nhằm xác định hiệu quả tản sét trên từng vị trí của điện cực khi hiện tượng ion hóa trong đất xảy ra. Nghiên cứu đáp ứng quá độ cho một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và điện cực nối đất để đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng truyền sóng trên cột và hiện tượng phản xạ giữa cột với hệ thống nối đất vào điện áp trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột để từ đó xác định được ảnh hưởng cụ thể của hệ thống nối đất đến điện áp trên cách điện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống nối đất và cột trong lưới điện truyền tải Việt Nam 2 Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền tần số của hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải. Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền miền thời gian của hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải, có xét đến hiện tượng ion hóa trong đất Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền thời gian cho hệ thống gồm cột điện và hệ thống nối đất. Phương pháp nghiên cứu Luận án nghiên cứu đáp ứng của hệ thống trong miền thời gian và trong miền tần số để tính toán tổng trở xung của hệ thống nối đất và tổng trở sóng của cột. Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ trong miền tần số và miền thời gian để tính toán mô phóng đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất, quá trình truyền sóng sét và các hiện tượng đặc trưng cho truyền sóng trên hệ thống nối đất và trên cột.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài Ứng dụng phương pháp FEM để tính toán phân bố điện từ trường khi có dòng sét chạy qua hệ thống nối đất và tản vào đất. Từ đó tính toán được điện áp quá độ đặt lên hệ thống nối đất và tổng trở của hệ thống nối đất. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình phóng điện trong đất.
Mô hình cho phép xác định dòng tản vào đất tại từng vị trí điện cực ứng với mỗi thời điểm khác nhau. Từ đó tính toán được bán kính ion hóa của vùng đất bao quanh điện cực. Xây dựng mô hình sát với thực tế gồm cột điện và hệ thống nối đất để mô phỏng quá trình truyền sóng từ đỉnh cột đến hệ thống nối đất. Xác định được trị số tổng trở sóng của cột mà không phụ thuộc vào hình dạng kích thích đặt vào.
Mô hình cho phép tính toán điện áp trên cách điện khi cấu hình của hệ thống nối đất thay đổi. Kết quả nghiên cứu cho phép xác định chính xác hơn hình dạng điện áp quá độ đặt lên cách điện khi sét đánh vào đường dây. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống nối đất cho phép phân biệt rõ đóng góp của điện trở một chiều và điện trở ở tần số cao vào khả năng tản dòng điện sét của một hệ thống nối đất. Đối với nối đất kiểu tia kết quả tính toán cho phép xác định chiều dài hiệu quả của điện cực và cách bố trí tia để đem lại hiệu quả tản sét cao nhất.
Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống cọc – tia cho phép xác định thiết kế hệ thống hiệu quả bao gồm cách phối hợp số lượng cọc với chiều dài tia và số lượng cọc với khoảng cách cọc. 3 So sánh đáp ứng quá độ của các hình dạng hệ thống nối đất khác nhau với cùng giá trị điện trở một chiều cho phép gợi ý về hình dạng hệ thống nối đất có hiệu quả tản sét tốt nhất. Quá trình ion hóa trong đất đối với hệ thống nối đất kiểu tia và cọc - tia cho phép minh họa giá trị điện trường trên từng vị trí trên điện cực. Từ đó hiểu rõ ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến quá trình ion hóa trong đất.
Kết quả gợi ý về thiết kế hệ thống nối đất hiệu quả khi xét đến ion hóa trong đất. Kết quả nghiên cứu truyền sóng trong hệ cột – nối đất cho phép xác định điện áp quá độ đặt lên cách điện, ứng dụng trong nghiên cứu tính toán khả năng chịu sét của đường dây truyền tải.