Tính toán lựa chọn số lượng và vị trí đặt chống sét van cho trạm biến áp 220Kv Phả Lại 2 bằng EMTP

Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông 
 T. A. Tùng, T. T. Sơn, Đ. A. Tuấn, “Tính toán lựa chọn số lượng bằng EMTP.”                              168    
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ ĐẶT CHỐNG SÉT 
VAN CHO TRẠM BIẾN ÁP 220KV PHẢ LẠI 2 BẰNG EMTP 
Trần Anh Tùng1*, Trần Thanh Sơn1, Đỗ Anh Tuấn2 
Tóm tắt: Cách điện của các đường dây và trạm biến áp 220kV thường được lựa 
chọn dựa trên các tính toán về quá điện áp. Trong một số trường hợp, độ an toàn 
cách điện trong trạm biến áp 220kV có thể bị vi phạm do quá điện áp khí quyển có 
trị số lớn. Chính vì vậy, việc tính toán lựa chọn số lượng và vị trí đặt các chống sét 
van nhằm hạn chế quá điện áp trong thiết kế hệ thống cách điện và phối hợp cách 
điện đóng một vai trò quan trọng. Bài báo này giới thiệu các mô phỏng quá trình 
quá độ trong hệ thống 220kV của trạm biến áp Phả Lại 2 bằng chương trình EMTP 
(Electro-Magnetic Transient Program). Quá điện áp khí quyển được tính toán cho 
hai trường hợp: sét đánh vào đỉnh cột và sét đánh trực tiếp vào dây pha. Các kết 
quả tính toán đã cho phép đề xuất phương án lắp đặt thêm chống sét van tại cuối 
đường dây vào trạm và thanh cái, và tại hai đầu thanh cái nhằm hạn chế quá điện 
áp lan truyền từ đường dây vào trạm. 
Từ khóa: Quá điện áp; Chống sét van; Trạm biến áp; EMTP; Cách điện; Phối hợp cách điện; BIL. 
 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Hiệu quả bảo vệ chống sét là một tiêu chí quan trọng trong thiết kế các đường dây và 
trạm biến áp 220kV. Tần suất sự cố do sét cần được đảm bảo ở một mức độ thấp nhằm 
giảm thiểu thiệt hại do cắt điện cũng như các vấn đề liên quan đến ổn định hệ thống điện. 
Hiệu năng chống sét của một đường dây  truyền  tải phụ  thuộc vào nhiều yếu  tố như cấp 
điện áp, độ cao của cột, đường dây mạch đơn hay mạch kép, điện trở tiếp đất Các cú sét 
có thể gây ra phóng điện ngược khi đánh vào khoảng vượt của dây chống sét hoặc đỉnh cột 
của đường dây tải điện. Trong một số trường hợp, dây pha của đường dây cũng có thể bị 
sét đánh gây ra sự lan truyền của sóng quá điện áp khí quyển về trạm biến áp. Dây chống 
sét kết hợp với điện trở tiếp đất của cột điện có giá trị nhỏ có thể cải thiện hiệu năng chống 
sét  và  sự  ứng  dụng  các  chống  sét  van  đường  dây  cung  cấp  một  giải  pháp  bổ  trợ  tăng 
cường. Đối với thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp, các yêu cầu đối với chống sét 
van (điểm đặt, số lượng) cần được tính toán chi tiết, hợp lí nhằm đảm bảo an toàn cho các 
phần tử quan trọng của trạm. Trong bài báo này, tác giả thực hiện tính toán mức độ quá 
điện áp khí quyển cho  trạm biến áp 220kV Phả Lại 2 bằng chương  trình EMTP. Cú sét 
được giả thiết đánh vào đỉnh cột và vào dây pha của đường dây tải điện đến trạm. Các tính 
toán sau đó cho phép tác giả đề xuất các phương án nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét 
cho các trạm biến áp 220kV.   
2. MÔ HÌNH TRONG PHÂN TÍCH BẢO VỆ CHỐNG SÉT 
Hình 1. Kịch bản mô phỏng quá điện áp khí quyển của trạm biến áp 220kV Phả Lại 2. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              169
Các sóng quá điện áp do sét có thể lan truyền đến trạm biến áp theo hai cơ chế: các sóng 
do phóng điện ngược trên cột điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc sóng đến từ cú sét đánh 
trực tiếp lên dây pha của đường dây tải điện. Kịch bản mô phỏng quá điện áp khí quyển cho 
trạm biến áp 220kV Phả Lại 2 cho hai trường hợp trên được giới thiệu trên hình 1. 
Đường dây mạch kép Sóc Sơn 1-2 đến trạm gồm 7 cột điện và 6 khoảng vượt được mô 
phỏng. Trong trường hợp 1, cú sét được giả  thiết đánh vào đỉnh cột 1. Sóng điện áp lan 
truyền đến trạm khi có phóng điện ngược xảy ra trên cột. Trường hợp 2 mô phỏng sét đánh 
trực  tiếp  vào  giữa  khoảng  vượt  của  pha  trên  cùng  của  một  mạch  gần  cột  1.  Sơ  đồ  mô 
phỏng trạm biến áp Phả Lại 2 bằng chương trình EMTP được giới thiệu trên hình 2. 
L_imp
TOP
T6
T6
T6
U
TD256 T5
Hình 2. Sơ đồ mô phỏng trạm biến áp 220kV Phả Lại 2 bằng EMTP. 
2.1. Mô hình nguồn dòng điện sét, đường dây truyền tải và trạm biến áp trong EMTP 
Dòng điện sét mô phỏng theo tiêu chuẩn IEC 61000 – 4 – 5 về đặc tính của các dạng 
sóng  dòng  điện  sét,  trong  đó:  dạng  sóng  dòng  điện  của  cú  sét  trực  tiếp  có  đặc  tính 
10/350µs, dạng sóng dòng điện của cú sét gián tiếp có đặc tính 8/20µs. Các cú sét trực tiếp 
và gián  tiếp được mô phỏng có cùng biên độ 150kA để  so  sánh hiệu ứng của các dạng 
sóng sét khác nhau. Đường dây mạch kép sử dụng dây dẫn ACSR 330mm2, mỗi pha được 
phân làm 2 dây dẫn cách nhau 40cm trong mặt phẳng ngang. Dây chống sét  loại ACSR 
90mm2. Mô hình mô phỏng bao gồm 7 cột gần trạm nhất và 6 khoảng vượt với chiều dài 
khoảng vượt là 300m, các cột điện còn lại được mô phỏng bằng ma trận hòa hợp tổng trở 
nhằm loại bỏ sự phản xạ của sóng điện áp từ phía xa. Mỗi khoảng vượt gồm 8 dây dẫn (6 
dây pha của hai mạch và hai dây chống sét) được mô phỏng bằng mô hình J-Marti tần số 
phụ thuộc. Hệ thống tiếp địa của các cột điện được thay thế bằng một điện trở nối đất có trị 
số điển hình 10Ω. Các thanh cái của trạm biến áp được thay thể bằng các tổng trở sóng. 
Cách điện đầu vào máy biến áp được thay thế bằng điện dung có trị số 3nF. 
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông 
 T. A. Tùng, T. T. Sơn, Đ. A. Tuấn, “Tính toán lựa chọn số lượng bằng EMTP.”                              170    
2.2. Mô hình cột điện trong EMTP 
Một mô hình 4 đoạn [1-2] được sử dụng để mô phỏng cột điện như minh họa trên hình 
2. Mỗi đoạn được  thay  thế bởi một mô hình đường dây không  tổn  thất nối  tiếp với một 
mạch RL song song, nhằm mô phỏng sự suy giảm của sóng quá điện áp khi lan truyền trên 
cột. Các tham số của mô hình được tính toán như sau : 
(1) 
(2) 
(3) 
Hình 3. Mô hình cột điện sử dụng trong mô phỏng. 
(4) 
   (5) 
(6) 
Trong đó: Zc: Tổng trở sóng của cột (Ω); H: Chiều cao từ vị trí xà thấp nhất đến đỉnh 
cột (m); Ri: Điện trở của mỗi phân đoạn (Ω); Li: Điện cảm của mỗi phân đoạn (mH)