Ứng dụng chương trình ETP khảo sát quá điện áp thao tác và biện pháp bảo vệ quá điện áp của đường dây tải điện cao áp

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – 
 33
ứng dụng ch−ơng trình ETP khảo sát quá điện áp thao tác 
và Biện pháp bảo vệ quá điện áp của đ−ờng dây tải điện cao áp 
Nguyễn Đức T−ờng (Tr−ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên.) 
1. Mở đầu 
Quá điện áp thao tác là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ 
thống điện nói chung và đ−ờng dây tải điện nói riêng. Nó không những ảnh h−ởng tới tính kinh 
tế mà còn ảnh h−ởng tới tính kỹ thuật của một mạng điện. Quá điện áp nội bộ tuy có độ lớn 
không bằng quá điện áp khí quyển nh−ng hiệu ứng tích luỹ là nguyên nhân phát triển các khuyết 
tật cục bộ, già hoá cách điện dần dần gây lên các phóng điện ngay cả khi quá điện áp nhỏ hơn 
nhiều điện áp đánh thủng ở tần số công nghiệp. Hiện nay trong hệ thống điện đ8 áp dụng một số 
biện pháp hạn chế quá điện áp nh− sử dụng máy cắt có mắc điện trở Shunt, ph−ơng pháp sơ đồ, 
điều khiển tiếp điểm đóng của máy cắt Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên chỉ có thể hạn chế 
đ−ợc một số ít loại quá điện áp nội bộ [2], mặt khác làm sơ đồ phức tạp, vận hành khó khăn. 
Ngày nay, với sự ra đời của chống sét van ôxít kẽm (ZnO) có khả năng hấp thụ năng l−ợng t−ơng 
đối cao và có thể sử dụng để bảo vệ quá nội bộ cho hệ thống điện nói chung và cho đ−ờng dây 
tải điện nói riêng. ứng dụng biện pháp này sẽ hạn chế đ−ợc quá điện áp nội bộ, góp phần nâng 
cao độ tin cậy của hệ thống và ổn định hệ thống. 
2. Đối t−ợng khảo sát và mô hình mạng điện trong ch−ơng trình ATPDraw 
2.1. Đối t−ợng và nhiệm vụ khảo sát 
ACK-400/52-62,62km 
AC
K
-
41
0/
53
-
39
,
9 
km
2x
35
3 
M
V
A
2x300 MW 
C5 G6 
286 
256 
236 
287 
257 
237 235 
255 
285 
phả lại 2 
bắc giang 
100 131 
272 271 
231-1 
125 MVA 
thái nguyên 
125 MVA 
131 
272 
231-1 
271 
sóc sơn 
27
1 
27
3 
27
4 
27
2 
200 
125 MVA 
100 
112 
100 
AC
RS
-
52
0/
67
-
26
,
9 
km
ACSR-520/67-57,9km 
ACSR-612/104-57,9km 
225 
224 
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch vòng khảo sát. 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – 
 34 
- Đối t−ợng khảo sát là đ−ờng dây truyền tải 220kV Sóc Sơn - Thái Nguyên tổng chiều 
dài truyền tải 39,9 km [3], có xét tới mạch vòng Phả Lại – Sóc Sơn – Thái Nguyên – Bắc Giang – 
Phả Lại có sơ đồ nguyên lý nh− trên hình 1. 
- Nhiệm vụ khảo sát, thống kê mức quá điện áp của 100 lần đóng đ−ờng dây Thái 
Nguyên – Sóc Sơn khi không tải trong tr−ờng hợp không đặt và có đặt chống sét van và có xét tới 
việc tiếp xúc không đồng thời của các tiếp điểm máy cắt. 
2.2. Mô hình mạng điện và dự kiến ph−ơng án đặt chống sét van 
- Mô hình mạng điện 220kV Phả Lại - Bắc Giang – Thái Nguyên – Sóc Sơn. 
Mô hình mạng điện trong ch−ơng trình ATPDraw đ−ợc thể hiện nh− trên hình 2. Trong đó các 
phần tử của mạng điện đ−ợc thay thế bằng các phần tử t−ơng ứng trong ch−ơng trình ATPDraw 
nh− bảng 1. 
Bảng 1: Các phần tử trong ch−ơng trình ATPDraw 
Stt Phần tử của mạng điện Phần tử trong ATPDraw 
1 Nguồn NMĐ và HT Sources 
2 Tổng trở trong Nhánh RL 
3 Đ−ờng dây tải điện Nhánh LLC 
4 Máy cắt 
Statistic Swich 
Swich time 3-ph 
5 Chống sét van MOV 3-ph 
Thống kê quá điện áp trên đ−ờng dây của 100 lần đóng cắt, ở đây thực hiện đóng đ−ờng 
dây không mang tải ở phía thanh góp Thái Nguyên và hoà đồng bộ bằng máy cắt phía Sóc Sơn. 
Trong nội dung nghiên cứu có chia đ−ờng dây Thái Nguyên – Sóc Sơn ra thành 4 đoạn: 
- Đoạn 1: Từ vị trí cột 125 tới vị trí cột 90. 
- Đoạn 2: Từ vị trí cột 90 đến cột số 60. 
- Đoạn 3: Từ vị trí cột 60 đến cột số 30. 
- Đoạn 4: Từ vị trí cột 30 đến cột số 1. 
Quá điện áp do đóng đ−ờng dây hở mạch th−ờng xuất hiện trị số lớn phía cuối đ−ờng dây. 
Mặt khác, khi chống sét van làm việc với quá điện áp nội bộ cần phải quan tâm tới khả năng hấp 
thụ năng l−ợng của chống sét van. Nh− vậy, ở đây lựa chọn ba ph−ơng án lắp đặt chống sét van: 
- Ph−ơng án 1: Đặt chống sét van tại cuối đ−ờng dây (vị trí cột 1) nh− hình a. 
Hình 2: Mô hình mạng điện trong ch−ơng trình ATPDraw. 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – 
 35
- Ph−ơng án 2: Đặt chống sét van tại hai đầu đ−ờng dây (vị trí cột 1 và 125) hình b. 
- Ph−ơng án 3: Đặt chống sét van tại hai đầu và giữa đ−ờng dây (vị trí cột 1) hình c. 
Đặc tính Vôn-Ampe (V-A) của chống sét van đ−ợc cho d−ới bảng 2 [9]: 
Bảng 2: Đặc tính V-A của chống sét van 220kV. 
 Điện áp d− (kV) 
Xung 8/20às Xung 
đóng cắt 
1.5kA 3kA 5kA 10kA 20kA 40kA 125A 500A 
549 577 596 627 697 818 470 502 
3. Kết quả khảo sát 
Kết quả khảo sát quá điện áp xuất hiện trên đ−ờng dây đ−ợc mô phỏng bằng ch−ơng trình 
Plotxy, dạng của quá điện áp ứng với trị số trung bình nh− hình 3: 
Điện áp xuất hiện trên đ−ờng dây có dạng xung nhọn là kết quả của điện áp cao tần xếp 
chồng lên điện áp tần số công nghiệp. Mặt khác biên độ của quá điện áp có trị số lớn nhất khi 
góc đóng bằng 900, khi góc đóng càng xa 900 thì biên độ giảm. 
Mô tả quy luật phân bố quá điện áp tại cuối đ−ờng dây hở mạch ứng với các tr−ờng hợp 
(hình 4): 
- Đ−ờng dây không lắp đặt chống sét van. 
- Đ−ờng dây đặt 1, 2 và 3 chống sét van. 
Từ kết quả cho thấy sự xuất hiện của quá điện áp trong tr−ờng hợp không lắp đặt chống 
sét van với biên độ càng lớn thì xác suất xuất hiện càng nhỏ và ng−ợc lại. Xác suất 2% (p.u) tại 
cuối đ−ờng dây 220kV có thể đạt tới trị số 4,75 (p.u). Nh− vậy, quá điện áp do đóng đ−ờng dây 
hở mạch có giá trị lớn hơn nhiều so với mức dự trữ cách điện ở cấp điện áp t−ơng ứng (3 p.u)[2]. 
Góc đóng 900 
(file 0csv-t.nguyen-s.son-kdt-90.pl4; x-var t) v:1A v:1B v:1C 
v:TG-SSA v:TG-SSB v:TG-SSC 
0 10 20 30 40 50[ms]-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400[kV]
Hình 3: Quá điện áp trên các pha ở cuối đ−ờng dây hở mạch. 
(file 0csv-t.nguyen-s.son-kdt-0.pl4; x-var t) v:1A v:1B v:1C 
v:TG-SSA v:TG-SSB v:TG-SSC 
0 10 20 30 40 50[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
[kV]
Góc đóng 00 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – 
 36 
Trong tr−ờng hợp có đặt chống sét van (1, 2 hay 3) thì điện áp tại cuối đ−ờng dây không 
v−ợt quá trị số 2p.u. Nh− vậy, với đ−ờng dây có chiều dài truyền tải không lớn chỉ cần sử dụng 
số ít chống sét van cũng có thể hạn chế đ−ợc quá điện áp tới mức thấp. Tuy nhiên, số l−ợng lựa 
chọn cần phải xem xét khả năng hấp thụ năng l−ợng của chống sét van sử dụng. 
- Phân bố QĐA theo chiều dài đ−ờng dây trong ch−ơng trình ATPDraw có kết quả nh− 
trên hình 5, ứng với các thời điểm đóng của các tiếp điểm của máy cắt là khác nhau (kết quả 
thống kê quá điện áp trên pha A, còn với các pha B và C có kết quả gần giống pha A): 
Trong tất cả các tr−ờng hợp đóng đ−ờng dây với góc đóng khác nhau có xét tới quá trình 
đóng không đồng thời của các tiếp điểm nhận thấy: 
- Quá điện áp có trị số lớn dần về phía cuối đ−ờng dây. 
ĐểNG KHễNG ĐỒNG THỜI GểC ĐểNG 00 
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
1 2 3 4 5
Điểm đo quỏ điện ỏp trờn đường dõy
Qu
ỏ 
đ
iệ
n
ỏp
2%
(p.
u
)
0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV
ĐểNG KHễNG ĐỒNG THỜI GểC ĐểNG 900 
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
1 2 3 4 5
Điểm đo điện ỏp trờn đường dõy
Qu
ỏ 
đ
iệ
n
ỏp
2%
(p.
u
)
0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV
Hình 5: Phân bố quá điện áp theo chiều dài đ−ờng dây. 
Hình 4: Phân bố QĐA tại cuối đ−ờng dây 220kV. 
P hâ n b ố điệ n á p tạ i 
cuố i đ−ờng dâ y hở mạ ch
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Hệ số quá áp (p.u)
X
á
c
 s
u
ấ
t 
x
u
ấ
t 
h
iệ
n
 (
%
)
0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – 
 37
- Tại vị trí đặt chống sét van quá điện áp không v−ợt quá 2p.u. Còn tại các vị trí không 
đặt chống sét van điện áp có lớn hơn chút ít. 
4. Năng l−ợng hấp thụ của chống sét van [10] 
Khi xuất hiện quá điện áp thao tác trên đ−ờng dây, chống sét van đ−ờng dây đặt d−ới giá 
trị điện áp cao sẽ phóng điện. Dòng phóng qua chống sét van có dạng xung vuông góc và điện áp 
d− trên chống sét van có dạng chữ nhật. Năng l−ợng hấp thụ của chống sét van khi đó đ−ợc xác 
định theo biểu thức [10]: W = Ua.Ia.td (1) 
Trong đó : 
Ua - điện áp d− của chống sét van. 
Ia - dòng điện qua chống sét van. 
td - thời gian tồn tại xung đóng cắt. 
Khoảng thời gian tồn tại xung đóng cắt có thể đ−ợc lấy bằng 1-2 giây nếu khoảng cách 
truyền sóng từ 150-300km, hoặc có thể lấy td bằng khoảng thời gian truyền sóng với 2 lần chiều 
dài đ−ờng dây và tốc độ truyền sóng lấy bằng tốc độ ánh sáng (c). 
Giả sử đ−ờng dây có mức quá điện áp thao tác với biên độ xung là USS (USwitching Surge). Khi 
đó nguồn quá điện áp đ−ợc mắc nối tiếp với tổng trở sóng của đ−ờng dây và điện trở của chống 
sét van (có kể tới điện trở nối đất chân cột). Nếu gọi Uarr (Uarrester) là điện áp d− của chống sét van 
và Z0 là tổng trở sóng của đ−ờng dây thì ta có quan hệ: 
Uss = Ia.Z0 + Uarr (2) 
Khi thông số trong mạch có dạng phi tuyến (phụ thuộc quan hệ V-A của chống sét van). 
Để giải bài toán ta áp dụng ph−ơng pháp đồ thị với đặc tuyến V-A của chống sét van đ8 biết. 
Khi đó: 
0
arrSS
a Z
UUI −= 2’) 
Năng l−ợng hấp thụ trên chống sét van trong các tr−ờng hợp góc đóng của máy cắt là 900 
và 00 ứng với các ph−ơng án lắp đặt chống sét van đ−ợc thể hiện trên bảng 3. 
Bảng 3: Năng l−ợng hấp thụ của chống sét van 
Năng l−ợng hấp thụ của chống sét van W (kJ) 
Số CSV 
Vị trí đặt CSV 
Cột 125 Cột 60 Cột 1 
1 CSV - - 81 
2 CSV 51 - 80 
3 CSV 51 64 80 
Năng l−ợng hấp thụ trên chống sét van có thể đạt tới 118kJ tại cuối đ−ờng dây trong 
tr−ờng hợp các tiếp điểm của máy cắt tiếp xúc đồng thời. Tuy nhiên, với chống sét van đ−ờng 
dây (ZnO) thì khả năng hấp thụ lớn hơn nhiều. Ví dụ nh− loại AZG2 (h8ng Cooper) có thể tới W 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – 
 38 
= 2,7x240 = 648 (kJ). Nh− vậy, với các đ−ờng dây ngắn (vài chục km) nếu chỉ dùng một chống 
sét van đặt tại cuối đ−ờng dây thì vẫn hạn chế đ−ợc quá điện áp (do đóng đ−ờng dây không tải) 
xuống mức nhỏ hơn 2p.u mà vẫn đảm bảo độ bền nhiệt cần thiết. 
Tóm tắt 
Nội dung bài báo nghiên cứu quá điện áp thao tác trên đ−ờng dây tải điện cao áp 220kV 
nhờ ch−ơng trình “nghiên cứu quá độ điện từ - EMTP”. Khảo sát quá điện áp do đóng đ−ờng dây 
không tải, phân bố theo chiều dài đ−ờng dây và phân bố theo xác suất quá điện áp của nhiều lần 
đóng cắt, từ đó đề xuất các ph−ơng án bảo vệ bằng chống sét van đ−ờng dây (ZnO) có xét tới 
khả năng hấp thụ năng l−ợng của các chống sét van. 
Summary 
This paper describes the use of transmission line arresters on 220 kV line to limit 
switching surge overvoltages. Switching overvoltages along sample lines are given for a number 
of cases and for different number of installed arresters along the lines. In addition energy 
requirements on the transmission line arresters are given. 
Tài liệu tham khảo 
[1] .Võ Viết Đạn (1975) - Kỹ thuật điện cao áp - Đại học Bách khoa Hà Nội. 
 [2].Viện năng l−ợng - Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ, các giải 
pháp giảm thiểu tác động đến môi tr−ờng trong vận hành hệ thống điện truyền tải cao áp và siêu cao áp - 
Hà Nội 12-2005. 
 [3].Trần Đức C−ờng - Cải tạo đ−ờng dây 110kV Sóc Sơn - Thái Nguyên kết hợp đ−ờng dây 220kV 
Sóc Sơn- Thái Nguyên - Công ty t− vấn xây dựng điện 1. 
 [4]. Phạm Văn Ngà - Thuyết minh và bản vẽ thi công đ−ờng dây 220kV Bắc Giang-Thái Nguyên - 
Công ty t− vấn xây dựng điện 1. 
 [5]. ATP Rule book (2004), EMTP–ATP Programs. 
 [6].Lỏszlú Prikler, Hans Kristian Hứidalen - ATPDRAW version 3.5. 
 [7]. ATP Theory book (2004), EMTP–ATP Programs. 
 [8]. ATP Manual book (2004), EMTP–ATP Programs. 
 [9] . Cooper power systems-Surge Arresters. 
 [10]. Calculation of Arrester Energy During Transmission Line Switching Surge Discharge - POWER 
SYSTEMS, INC.