Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống điện quốc gia, các trạm biến áp và đường dây truyền tải là những mắt xích giữ vai trò cung cấp và phân phối điện năng liên tục phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Theo thống kê thực tế, Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa có mật độ dông sét hoạt động mạnh; số ngày dông trung bình tại miền Bắc dao động từ 70 đến 110 ngày/năm (vùng cực đại như Móng Cái đạt 250–300 cơn dông trong 100–110 ngày/năm), trong khi miền Nam dao động từ 120 đến 140 ngày/năm (TP. Hồ Chí Minh đạt 138 ngày/năm). Các số liệu thống kê sự cố trên lưới điện 220 kV miền Bắc giai đoạn 1987–2009 ghi nhận 106 vụ sự cố do sét (trong đó có 16 sự cố vĩnh cửu), riêng tuyến đường dây Phả Lại – Hà Đông ghi nhận 22 sự cố do sét (11 sự cố vĩnh cửu).

Dông sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền sóng quá điện áp vào trạm biến áp có thể gây ngắn mạch thanh góp, phá hủy cách điện cuộn dây máy biến áp, cháy nổ thiết bị và dẫn đến nguy cơ rã lưới trên diện rộng. Do đó, việc tính toán kỹ thuật bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, thiết kế nối đất và bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm là nhiệm vụ kỹ thuật bắt buộc nhằm đảm bảo an toàn vận hành và độ tin cậy cung cấp điện.

Đồ án tốt nghiệp xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu và tính toán kỹ thuật cụ thể:

  1. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp 220/110 kV.
  2. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn, nối đất làm việc và nối đất chống sét cho trạm biến áp.
  3. Tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây truyền tải điện cấp điện áp 110 kV.
  4. Tính toán và mô phỏng bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây 110 kV vào trạm biến áp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạm biến áp 220/110 kV (quy mô 2 máy biến áp 220/110 kV, 3 mạch đường dây 220 kV, 6 mạch đường dây 110 kV, sơ đồ 2 thanh góp mỗi cấp điện áp) và tuyến đường dây truyền tải điện 110 kV kết nối vào trạm.
  • Phạm vi không gian và tham số môi trường: Mặt bằng phân phối khí cụ ngoài trời của trạm biến áp với các độ cao xà đón dây 220 kV (17 m), xà thanh góp 220 kV (11 m), xà đón dây 110 kV (11 m), xà thanh góp 110 kV (9 m); điện trở suất của đất đo được tại trạm là $\rho_đ = 110\ \Omega\text{m}$; mật độ dông sét khu vực tuyến đường dây đi qua là 92 ngày/năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Kỹ thuật điện cao áp và Quá trình quá độ trong hệ thống điện:

  • Lý thuyết hình thành dòng điện sét và phạm vi bảo vệ: Mô hình phóng điện tiên đạo mây – đất, cơ chế phóng điện ngược và tính chọn lọc vị trí sét đánh. Công thức thực nghiệm xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét đơn, cột đôi bằng nhau, cột đôi khác độ cao và nhóm nhiều cột đa giác theo quy chuẩn ($D \le 8h_a$).
  • Lý thuyết hệ thống nối đất: Lý thuyết phân bố điện áp và tản dòng điện trong đất; mô hình nối đất tập trung và nối đất phân bố dài (mạch vòng, tia dài) giải bằng hệ phương trình vi phân truyền sóng đường dây có rải thông số; các tiêu chuẩn điện trở nối đất cho hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất ($R \le 0,5\ \Omega$, $R_{NT} \le 1\ \Omega$).
  • Lý thuyết truyền sóng và bảo vệ quá điện áp: Quy tắc Petersen (sơ đồ thay thế tương đương tại nút sóng), quy tắc sóng đẳng trị, phương pháp tiếp tuyến xác định điện áp trên điện dung thiết bị và đặc tính V-A phi tuyến của chống sét van (CSV).

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức giải tích hình học và giải tích mạch để tính toán phạm vi che chắn, tổng trở xung kích $Z(x,t)$, dòng điện sét $i_c(a,t)$, điện áp giáng trên cách điện $U_{cđ}(a,t)$, xác suất phóng điện ngược và suất cắt đường dây.
  • Phương pháp mô phỏng số chuyên ngành: Sử dụng phần mềm ATP/EMTP (thông qua giao diện ATPDraw) để lập sơ đồ thay thế phân tích quá trình truyền sóng quá điện áp từ đường dây vào các nút thiết bị trong trạm khi xuất hiện dòng sét xung kích xiên góc.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành trạm phân phối điện áp cao từ 110 kV trở lên; số liệu thống kê dông sét và sự cố lưới điện truyền tải Việt Nam; thông số hình học và cơ - điện của trạm biến áp 220/110 kV và đường dây 110 kV do Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội cung cấp.

Thiết kế kỹ thuật và mô phỏng hệ thống

Hệ thống bảo vệ chống sét và quá điện áp được thiết kế kỹ thuật dựa trên các khối thành phần và mô hình mô phỏng:

Khối kỹ thuật Thông số đầu vào và cấu hình thiết kế Phương pháp kiểm tra / Mô hình hóa
Kim và cột thu sét trạm 16 kim thu sét đặt trên kết cấu xà (8 kim cao 10 m phía 220 kV; 8 kim cao 7 m phía 110 kV) Phương pháp đường sinh gãy khúc và bán kính bảo vệ $r_x$, $r_{0x}$; điều kiện che chắn nhóm $D \le 8h_a$
Hệ thống nối đất chính Mạch vòng thép dẹt $b = 4\text{ cm}$ chôn sâu $0,8\text{ m}$, chu vi $L_{MV} = 598\text{ m}$ kết hợp nối đất tự nhiên Tính toán điện trở tản xoay chiều $R_{HT}$ và giải hệ phương trình vi phân tổng trở xung kích $Z(0, \tau_{ds})$
Nối đất bổ sung 01 thanh dẹt dài $12\text{ m}$ kết hợp 3 cọc thép tròn dài $3\text{ m}$, khoảng cách cọc $6\text{ m}$, sâu $0,8\text{ m}$ tại mỗi chân cột thu sét Đảm bảo điện áp giáng xung kích $U_d \le U_{50%MBA}$ ($460\text{ kV}$)
Chống sét đường dây 110 kV Dây chống sét C-70 phối hợp dây dẫn AC-300 trên cột sắt cao $24\text{ m}$, chuỗi 7 bát sứ cách điện $\Pi$-4,5 Tính toán suất cắt sự cố do sét đánh khoảng vượt và đỉnh cột theo lý thuyết phân tích sóng phản xạ
Mô phỏng truyền sóng ATP/EMTP Nguồn dòng sét xiên góc $I = 150\text{ kA}$, $a = 30\text{ kA}/\mu\text{s}$, $\tau_{ds} = 5\ \mu\text{s}$; các phân đoạn đường dây, thanh góp, điện dung thiết bị và CSV Mô hình linh kiện ATPDraw: Nguồn dòng Surge, phần tử đường dây rải L-C, điện dung tập trung, mô hình phi tuyến Non-linear Resistor

Nội dung chính theo từng chương

Chương mở đầu: Hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện

Chương này tổng quan về bản chất vật lý của hiện tượng phóng điện dông sét trong khí quyển, tập trung vào cơ chế phóng điện mây – đất với tốc độ phát triển tia tiên đạo đợt đầu đạt khoảng $1,5 \cdot 10^7\text{ cm/s}$ và phân bố dòng điện sét xung kích từ vài kA đến hàng trăm kA. Tác giả phân tích đặc điểm phân bố mật độ dông sét trên các vùng lãnh thổ Việt Nam và trình bày số liệu thống kê sự cố lưới điện 220 kV miền Bắc giai đoạn 1987–2009 (tổng số 106 vụ sự cố do sét, 16 vụ sự cố vĩnh cửu). Từ đó, chương mở đầu khẳng định sự cần thiết phải thiết kế đồng bộ các giải pháp chống sét cho trạm biến áp và đường dây.

Chương 1: Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp

Chương 1 xây dựng các công thức xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét độc lập ($h \le 30\text{ m}$ và hệ số hiệu chỉnh $p = 5,5/\sqrt{h}$ khi $h > 30\text{ m}$), cột đôi cùng độ cao, cột đôi khác độ cao, nhóm đa giác và dây thu sét. Tác giả tiến hành thiết lập và tính toán chi tiết 3 phương án bảo vệ cho trạm biến áp 220/110 kV:

Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3
Hình thức bảo vệ Cột thu lôi đặt trên xà Cột thu lôi đặt trên xà Cột kết hợp dây chống sét C-95
Số lượng cột thu sét 16 cột 20 cột 16 cột
Quy cách độ cao cột 8 cột 27 m; 8 cột 18 m 12 cột 25 m; 8 cột 18 m 8 cột 31 m; 8 cột 20 m
Tổng chiều dài kim thu sét 152 m 194 m 202 m
Chiều dài dây chống sét 0 m 0 m 511,2 m
Đánh giá kinh tế - kỹ thuật Đảm bảo an toàn, chi phí thấp nhất Đảm bảo an toàn, số cột nhiều Đảm bảo an toàn, kết cấu phức tạp

Tác giả quyết định lựa chọn Phương án 1 vì tối ưu hóa chiều dài kim thu sét và tiết kiệm chi phí xây dựng.

Chương 2: Thiết kế hệ thống nối đất cho trạm biến áp

Chương 2 trình bày các yêu cầu kỹ thuật đối với nối đất làm việc, nối đất an toàn và nối đất chống sét. Kết quả tính toán hệ thống nối đất của trạm bao gồm:

  • Nối đất tự nhiên: Tận dụng hệ thống dây chống sét và cột điện của các tuyến đường dây nối vào trạm ($n_{220} = 3$ lộ, $n_{110} = 6$ lộ), tính ra $R_{TN220} = 0,3437\ \Omega$, $R_{TN110} = 0,2798\ \Omega$, điện trở nối đất tự nhiên tổng hợp đạt $R_{TN} = 0,193\ \Omega < 0,5\ \Omega$.
  • Nối đất nhân tạo: Thiết kế mạch vòng khép kín kích thước tương đương $179\text{ m} \times 120\text{ m}$ (chu vi $L_{MV} = 598\text{ m}$), chôn sâu $t = 0,8\text{ m}$ bằng thanh thép dẹt bề rộng $b = 4\text{ cm}$. Với hệ số mùa $k_{\text{mùa}} = 1,6$ và hệ số hình dạng $K = 5,9$, tính được điện trở mạch vòng $R_{MV} = 0,99\ \Omega < 1\ \Omega$. Điện trở nối đất tổng hợp của hệ thống đạt $R_{HT} = R_{TN} // R_{NT} = 0,162\ \Omega < 0,5\ \Omega$, thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Tính toán xung kích và nối đất bổ sung: Khi dòng sét xung kích ($I = 150\text{ kA}$, độ dốc $a = 30\text{ kA}/\mu\text{s}$, thời gian đầu sóng $\tau_{ds} = 5\ \mu\text{s}$) đi vào hệ thống, điện áp giáng trên nối đất $U_d$ vượt quá mức cách điện xung kích 50% của máy biến áp ($U_{50%MBA} = 460\text{ kV}$). Tác giả thiết kế hệ thống nối đất bổ sung tại chân mỗi kết cấu đặt cột thu sét gồm 1 thanh dẹt $12\text{ m}$ và 3 cọc thép dài $3\text{ m}$ chôn sâu $0,8\text{ m}$ cách nhau $6\text{ m}$.

Chương 3: Tính toán chống sét của đường dây 110 kV

Chương này thực hiện tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho tuyến đường dây 110 kV sử dụng dây dẫn AC-300, 1 dây chống sét C-70 ($r_0 = 2,37\ \Omega/\text{km}$), cột sắt cao 24 m, khoảng vượt $L_{110} = 210\text{ m}$, điện trở nối đất chân cột $R_{110} = 13\ \Omega$, chuỗi cách điện 7 bát sứ loại $\Pi$-4,5. Nội dung tính toán bao gồm:

  • Xác định độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét.
  • Tính toán số lần sét đánh vào đường dây theo mức dông sét 92 ngày/năm.
  • Tính toán phân tích quá trình phóng điện trong hai trường hợp: sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét và sét đánh vào đỉnh cột điện.
  • Xác định điện áp đặt lên chuỗi cách điện $U_{cđ}(a,t)$, dòng điện sét qua cột $i_c(a,t)$, xác suất hình thành hồ quang và tính toán suất cắt sự cố tổng hợp của đường dây.

Chương 4: Bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây 110 kV vào trạm biến áp

Chương 4 nghiên cứu quá trình sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm phân phối. Tác giả áp dụng sơ đồ thay thế Petersen, quy tắc sóng đẳng trị và phương pháp tiếp tuyến để xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van tại trạng thái vận hành nguy hiểm nhất. Tiến trình tính toán được thực hiện qua các nút sóng (từ nút 0 đến nút 3) nhằm kiểm tra an toàn cách điện của thanh góp và máy biến áp. Sau đó, tác giả sử dụng phần mềm ATP/EMTP (ATPDraw) thiết lập sơ đồ mô phỏng quá trình truyền sóng, kiểm chứng dạng sóng điện áp xung tại các nút và dòng điện thoát qua chống sét van.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Xác định cấu hình bảo vệ chống sét đánh trực tiếp tối ưu cho trạm biến áp 220/110 kV gồm 16 kim thu sét đặt trên xà trạm (8 kim cao 10 m tại phân phối 220 kV và 8 kim cao 7 m tại phân phối 110 kV), che chắn toàn bộ các thiết bị ngoài trời.
  • Tính toán hệ thống nối đất mạch vòng trạm đạt điện trở tản xoay chiều $R_{MV} = 0,99\ \Omega$ và điện trở hệ thống kết hợp nối đất tự nhiên đạt $R_{HT} = 0,162\ \Omega$ (đáp ứng tiêu chuẩn quy định $R \le 0,5\ \Omega$).
  • Thiết kế hệ thống nối đất bổ sung dạng tập trung (thanh dẹt 12 m kết hợp 3 cọc thép dài 3 m) tại mỗi vị trí đặt cột thu sét trên xà nhằm hạ thấp điện thế xung kích $U_d \le 460\text{ kV}$.
  • Hoàn thành bộ tính toán chỉ tiêu chống sét cho tuyến đường dây 110 kV (cột sắt 24 m, dây AC-300, dây chống sét C-70, chuỗi 7 bát sứ $\Pi$-4,5) và kiểm chứng phối hợp cách điện trạm biến áp với chống sét van bằng mô phỏng số trên phần mềm ATP/EMTP.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật

  • Cho phép kết hợp hệ thống nối đất làm việc, nối đất an toàn và nối đất chống sét thành một hệ thống nối đất chung để tận dụng hiệu quả tản dòng của nối đất tự nhiên đường dây.
  • Đặt cột thu sét trực tiếp trên xà trạm phân phối từ cấp điện áp 110 kV trở lên để giảm chiều cao kim thu sét, kèm theo điều kiện bắt buộc phải bố trí nối đất bổ sung và đảm bảo khoảng cách đi dây nối đất tới vỏ máy biến áp lớn hơn 15 m.

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã cung cấp một quy trình tính toán thiết kế hoàn chỉnh theo tiêu chuẩn ngành Kỹ thuật điện cao áp, kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp tính toán giải tích cổ điển và công cụ mô phỏng số ATP/EMTP trong phân tích quá độ sóng sét truyền vào trạm biến áp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Trong tính toán tổng trở xung kích của hệ thống nối đất phân bố dài, đồ án chưa xét đến sự biến thiên phức tạp của quá trình phóng điện cục bộ trong môi trường đất dọc theo chiều dài điện cực nhằm đơn giản hóa hệ phương trình vi phân; mô hình nguồn sét giả định dạng xung xiên góc lý thuyết với biên độ không đổi ($I = 150\text{ kA}$, $a = 30\text{ kA}/\mu\text{s}$).
  • Hướng mở rộng: Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ion hóa đất khi dòng sét có biên độ lớn đi vào hệ thống nối đất; khảo sát dạng sóng sét thực tế với các độ dốc thay đổi và đánh giá quá điện áp nội bộ sinh ra trong quá trình đóng cắt máy cắt điện trong trạm.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện, Kỹ thuật điện cao áp tại các trường đại học kỹ thuật, cũng như kỹ sư tham gia công tác thiết kế trạm biến áp và đường dây truyền tải điện.
  • Nội dung giá trị: Các thuật toán tính toán phạm vi bảo vệ kim thu sét nhiều độ cao, phương pháp xác định tổng trở xung kích của mạch vòng nối đất theo chuỗi số giải tích, và quy trình xây dựng mô hình mô phỏng chống sét van trên phần mềm ATP/EMTP.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án 1 cho hệ thống chống sét đánh trực tiếp thay vì Phương án 2 hoặc Phương án 3?
Cả ba phương án đều đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật che chắn an toàn cho trạm. Tuy nhiên, Phương án 1 chỉ cần 16 cột với tổng chiều dài kim thu sét là 152 m (không cần dây chống sét treo trong trạm), thấp hơn so với Phương án 2 (20 cột, 194 m kim) và Phương án 3 (16 cột, 202 m kim và 511,2 m dây chống sét C-95), từ đó tối ưu hóa chi phí đầu tư xây dựng.

2. Giá trị điện trở nối đất tự nhiên và nhân tạo của trạm đạt bao nhiêu?
Điện trở nối đất tự nhiên qua hệ thống cột và dây chống sét các đường dây nối vào trạm đạt $R_{TN} = 0,193\ \Omega$. Điện trở nối đất nhân tạo dạng mạch vòng đạt $R_{MV} = 0,99\ \Omega$. Điện trở nối đất tổng hợp của toàn hệ thống là $R_{HT} = 0,162\ \Omega$, thỏa mãn quy định kỹ thuật đối với trạm có trung tính trực tiếp nối đất ($R \le 0,5\ \Omega$).

3. Tại sao trạm biến áp phải bố trí thêm hệ thống nối đất bổ sung tại chân cột thu sét?
Khi sét đánh trực tiếp vào cột thu sét đặt trên xà, dòng điện sét xung kích biên độ lớn ($150\text{ kA}$) đi vào hệ thống nối đất tạo ra điện áp giáng $U_d$ vượt quá mức cách điện xung kích 50% của cuộn dây máy biến áp ($U_{50%MBA} = 460\text{ kV}$). Do đó, cần nối đất bổ sung (gồm 1 thanh dẹt dài 12 m và 3 cọc thép dài 3 m) để hạ thấp tổng trở xung kích cục bộ, ngăn ngừa hiện tượng phóng điện ngược.

4. Đường dây truyền tải 110 kV trong đồ án sử dụng loại dây và cách điện nào?
Đường dây 110 kV sử dụng dây dẫn nhôm lõi thép AC-300, 1 dây chống sét C-70 (điện trở đơn vị $r_0 = 2,37\ \Omega/\text{km}$), cột sắt đỡ 1 mạch cao 24 m, khoảng vượt 210 m và chuỗi cách điện gồm 7 bát sứ loại $\Pi$-4,5.

5. Phương pháp nào được tác giả sử dụng để phân tích và kiểm tra an toàn cách điện khi có sóng truyền vào trạm?
Tác giả kết hợp phương pháp giải tích (sử dụng sơ đồ thay thế Petersen, quy tắc sóng đẳng trị, phương pháp tiếp tuyến kiểm tra phối hợp cách điện máy biến áp và chống sét van) với phương pháp mô phỏng số quá trình quá độ điện từ trên phần mềm ATP/EMTP (thông qua giao diện ATPDraw).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đỗ Đức Quang đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, hệ thống nối đất và bảo vệ chống sóng quá điện áp cho trạm biến áp 220/110 kV cùng tuyến đường dây 110 kV. Các kết quả tính toán giải tích mạch vòng nối đất ($R_{HT} = 0,162\ \Omega$), cấu hình 16 kim thu sét trên xà và hệ thống nối đất bổ sung đều đáp ứng nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật điện cao áp. Việc ứng dụng công cụ ATP/EMTP kiểm chứng quá trình truyền sóng khẳng định độ an toàn vận hành cách điện của các thiết bị chính trong trạm biến áp.