Ứng dụng tiêu biểu của EGLA trên đường dây truyền tải ở Malaysia.

Đây là bài viết do Tiến sĩ Iryani Mohamed Rawi đóng góp năm 2014, thảo luận về một dự án tiêu biểu lắp đặt chống sét van có khe hở (EGLA: External Gapped Line Arrester) nhằm giảm suất cắt đường dây do sét trên 2 đường dây.

Hệ thống điện Malaysia vận hành trong một khu vực có mật độ hoạt động cao của sét, yếu tố này tác động bất lợi lên độ tin cậy của một số đường dây do công ty lưới điện quốc gia, Tenaga Nasional Berhad (TNB) vận hành. Trong số những đường dây chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất bởi sét, có đường dây 132 kV từ Kuala Krai đi Gua Musang (gọi tắt là KKGM) nằm ở Đông Bắc và đường dây 500 kV Ayer Tawar đi Bukit Tarek (gọi tắt là ATBT) chạy dọc bờ biển phía Tây bán đảo Malaysia.

Các cách tiếp cận khác nhau đã được áp dụng trên mỗi trường hợp do đường dây 132 kV vốn đã được lắp EGLA từ năm 2007 nhưng vẫn tiếp tục bị phóng điện do sét. Ngược lại, đường dây 500 kV vốn là một phần của dự án đang do TNB xúc tiến nhằm giảm suất cắt do sét thông qua cách lắp đặt chống sét van sao cho hiệu quả về chi phí.

Lý lịch đường dây 132kV KKGM

Đường dây 132 kV này dài 113km, là đường dây 2 mạch đóng điện năm 1995, gồm 215 cột tháp sắt. Giữa năm 2001 và 2012, ghi nhận tổng cộng 53 lần cắt, hầu hết là cắt cả 2 mạch. Số lượng này tương ứng với suất cắt khoảng 4.26 lần/100km.năm - xem là không thể chấp nhận khi so với số liệu trung bình trong TNB cho những đường dây như vậy là khoảng 1,8 lần/100 km.năm. Suất cắt chấp nhận được ở hầu hết các công ty điện lực khác được ghi nhận là trong khoảng 1,5 đến 2,8 lần/100 km.năm.

Do vậy, một công trình nghiên cứu được tiến hành với mục tiêu giải thích tình trạng “dường như không hiệu quả’ của hơn 120 EGLA được lắp trên đường dây 132 kV trong khoảng 2007—2012. Về lý thuyết, tăng mật độ lắp chống sét van thì sẽ giảm suất cắt đường dây.  Nhưng mà , ở đường dây này, suất phóng điện lại tăng lên!

Lý lịch của đường dây 500kV ATBT

Đường dây 500 kV ATBT dài 145 km bao gồm 352 cột và trong thời gian gần đây trải qua suất cắt khoảng  1,532 lần/100km.năm. Suất này được xem là rất cao, nếu so với những đường dây quan trọng tương tự, suất cắt nhỏ hơn 1 lần/100 km. năm.

Trong cả 2 trường hợp, đều thấy cần phân tích độ tin cậy theo thời gian nhằm tìm ra cách tốt nhất để giảm suất cắt danh định xuống mức chấp nhận được.

           

H.1. Cột đỡ tiêu biểu của đường dây 500 kV ATBT. 

  

          H.2. Móng cột đường dây 500 kV ATBT.

Đặc điểm địa lý của các đường dây

Đường dây 132 kV KKGM nằm trên một vùng địa lý hỗn hợp bao gồm thành phố Kuala Krai , vùng đồng bằng và rừng rậm xung quanh Gua Musang. Có tổng cộng 154 cột (52%) trên vùng đồng bằng và 139 cột (47%) trong vùng rừng. Hai cột còn lại gần trạm biến áp. Còn với đường dây 500 kV ATBT, 40% số cột nằm trên vùng đồi.

H.3. Thiết kế cột của các đường dây 132 kV và 500 kv thuộc TBN :

a. Cột đỡ tiêu chuẩn 132 kV; b. Cột đỡ tiêu chuẩn 500 kV ; c. Cột đảo pha đăc biệt  (5 vị trí.)

Để hiểu rõ tình hình địa chất dọc đường dây, các giá trị điện trở chân cột (TFR: Tower Foot Resistance) được thống kê cho cả hai đường dây. Hình (H. 4 và H.5) thể hiện biểu đồ cao trình và TFR cho từng vị trí cột trên mỗi đường dây. Như thể hiện trong hình (H.4), TFR đối với đường dây 132 kV cao hơn ở vị trí có cao trình lớn hơn và ngược lại. Hình (H.5) thể hiện các giá trị TFR của đường dây 500 kV lại tăng cùng với cao trình tăng. Điều này thường có nghĩa là khả năng chống sét thấp đi do đường dây càng dễ trở thành mục tiêu chính của sét khi ở cao trình lớn hơn.

H.4:  TFR và cao trình của đường dây   132 kV KKGM (Đường màu xanh chỉ cao trình, màu đỏ chỉ TFR).

H. 5. TFR và cao trình của đường dây   500 kV ATBT (Đường màu xanh chỉ cao trình, màu đỏ chỉ TFR).

GFD (Ground flashing Density): Mật độ sét (đánh xuống  đất)

Một yếu tố quan trọng khác được xem xét khi lược lại độ tin cậy trong quá khứ là dữ liệu lịch sử về hoạt động của sét dọc theo 2 đường dây.  Mật độ sét được thể hiện trên hình H.6 và H.7, mặc dù do thiếu dữ liệu từ hệ thống quan trắc, chỉ có số liệu của một số năm để so sánh.

H.6. : Bản đồ mật độ sét cho đường dây 132 kV KKGM.

H.7- Bản đồ mật độ sét của đường dây  500 kV ATBT.

Do Malaysia có mức xác suất sét khu vực cao, sét luôn luôn là nguyên nhân chính gây cắt đường dây truyền tải lẫn phân phối. Hình (H.8) mô tả những lần phóng điện sét gây cắt đường dây ghi được từ năm 2001.

H.8 - Số liệu về cắt đường dây do sét tại TNB.

Theo hệ thống thông tin trung tâm của TNB về sự cố, số lượt cắt hàng năm từ năm 2001 (cả cắt một mạch lẫn 2 mạch) cũng như giá trị GFD cho 2 đường dây đang khảo sát, cho trong bảng 1 và 2 dưới đây.

          

Bảng 1- Không có dữ liệu trong  2001-2003 và  2005. 

       

Bảng 2- Đối với đường dây 500 kV, 19 lần cắt ghi nhận được từ 2002 có gồm 1 lần cắt cả 2 mạch (DCCT : Double CirCuit Trip)  trong năm 2004.  Trong 18 lần cắt 1 mạch (SCCT : Single CirCuit Trip) thì có 8 lần cắt mạch 1, 10 lần cắt mạch 2. Suất cắt tính trong thời gian khảo sát là 1,532/100km.năm, cao hơn nhiều so với suất chung trong TNB là 0,9/100 km.năm.

Trong năm 2012, suất cắt tổng trên đường dây 500 kV giảm xuống Zero ( thậm chí GFD có giá trị cao) bởi công trình tăng cường điện trở chân cột đã được tiến hành suốt tuyến. Hơn nữa, do hệ thống định vị đăc biệt được lắp đặt lúc này, đã có thể xác định chính xác vị trí bị sét đánh (H.9).

H.9. Vị trí các lần sét đánh gây cắt đường dây.

Mô phỏng

Trong việc nghiên cứu phối hợp cách điện, phần mềm TFlash nên được áp dụng  cho đường dây  132 kV và đường dây khác, nếu không có yêu cầu đặc biệt nào. Tuy nhiên, đối với đường dây 500 kV, cần chọn TFlash, SIGMA SLP, PSCADD và EMTP để hỗ trợ tốt nhất trong các vấn đề như là lựa chọn cột nào để lắp chống sét van là tốt nhất, những pha nào thích hợp để lắp cũng như mức xả năng lượng yêu cầu. Trong trường hợp 2 đường dây này, người ta chỉ chọn loại EGLA  (chống sét van có khe hở dành cho đường dây) do những ưu điểm đã được ghi nhận từ quan điểm của TNB về lưới điện và môi trường làm việc.

Đường dây 132 kV KKGM

Dùng phần mềm TFlash, độ tin cậy của đường dây được so sánh cả trước và sau khi lắp EGLA. Kết quả nghiên cứu độ tin cậy vận hành sau 11 năm thể hiện trong hình (H.10).

H.10: Độ tin cậy của đường dầy kV KKGM với giá trị  maximum GFD và tổng số  EGLA đã lắp

(Cột xanh lam: cắt 1 mạch; cột màu đỏ : cắt 2 mạch; đường xanh lá: tổng số pha lắp EGLA; nốt màu vàng : giá trị GFD)

Thiết trí tiêu biểu có EGLA trên đường dây  132 kV KKGM.

Nhận thấy rằng, khi GFD tăng thì suất cắt đường dây 132 kV cũng tăng, dù thiếu dữ liệu các năm 2001-2003 và 2005. Hình (H. 10) cũng cho thấy, mặc dù mật độ lắp EGLA tăng lên trên suốt đường dây, không có mối liên hệ với sự giảm suất cắt. Kết quả này là không trông đợi: lẽ ra càng lắp nhiều EGLA thì càng giảm suất cắt và độ tin cậy tăng lên mới phải.

H.11: Kết quả mô phòng bằng TFlash so sánh với thực tế. (Màu xanh : suất cắt thực tế: màu đỏ : suất cắt mô phỏng).

Mô phỏng bằng TFlash cũng đã tính độ tin cậy mỗi năm, tức là theo biến thiên của GFD. Kết quả cho ra một kiểu đồng dạng và tương quan chặt với dữ liệu thực tế, nghĩa là mô phỏng gần với trạng thái thực.

Đường dây 500 kV ATBT

TNB trước đây chưa từng lắp EGLA trên đường dây 500 kV nhưng đường dây này là ngoại lệ do suất sự cố trên đó xem là cao bất thường và không chấp nhận được. Hơn nữa, bình thường thì việc cải thiện TFR được ưu tiên trước so với EGLA vì giá EGLA tương đối cao cũng như khó sắp xếp lịch cắt điện để lắp đặt chúng trên đường dây quan trọng như thế này.

Tuy nhiên, bởi vì đường dây này có một lịch sử sự cố hàng năm nhiều, người ta quyết định sử dụng EGLA,  nhưng chỉ cho những vị trí cột có nguy cơ cao nhất với trị số TFR rất cao. Do đó, các phần mềm khác nhau được áp dụng  để mô phỏng đường dây, giúp chọn ra những vị trí phù hợp nhất với mục tiêu tối ưu hóa thiết trí cùng với kiểm soát chi phí tốt nhất.

  1. Phần mềm EMTP: Với sự giúp đỡ của OEM (Original Equipment Manufacturer : Nhà sản xuất thiết bị gốc theo đặt hàng cho Công ty đứng tên nhãn hiệu; ví dụ : Apple thiết kế và đặt Foxconn  sản xuất thiết bị , sau đó Apple  phân phối sản phẩm với nhãn “Apple”; trong trường hợp EMTP:phần mềm EMTP được nhà thiết kế EMTP cấp quyền cho một nhà sản xuất thiết bị , ví dụ là máy tính, để kèm sẵn EMTP trong bộ software trên máy tính bán ra ), một mô phỏng dùng EMTP đã tiến hành và kết quả cho thấy ở Bảng 3 dưới dây.

 

Bảng 3: Mô phòng EMTP cho đường dây 500 kV ATBT.

Mô hình lắp EGLA trên cả 3 pha của 1 mạch sẽ cho ra suất cắt 2 mạch (DCCT) bằng Zero (mặc dù suất cắt một pha là không tránh được nhưng là  thấp nhất có thể)

b. Phần mềm SIGMA SLP: Đường dây được chia làm 7 đoạn tương ứng với giá trị GFD max và kết quả cho trong bảng 4:

Bảng 4: Mô phỏng Sigma SLP Simulation cho đường dây 500 kV ATBT

(TOT: tổng cộng; BFR: suất phóng điện ngược; SFFR: suất sự cố do sét đánh vòng qua dây chống sét; Single : sự cố 1 mạch; Double : sự cố 2 mạch đồng thời).

Như thấy trong Bảng 4, đoạn 1 và 2 của đường dây (gần phía  Gua Musang ) có xác suất sự cố do sét cao hơn các đoạn còn lại. Do đó, lý tưởng là tập trung lắp EGLA trong các đoạn này, mặc dù thông tin để chọn chính các vị trí nào thì phải nhờ TFlash. Các phép mô phỏng cũng đã được thực hiện để so sánh độ tin cậy khi thay đổi pha khác nhau để lắp EGLA . Vị trí tương đối của EGLA cho 4 trường hợp khảo sát thể hiện trong hình (H. 12).

 Kết quả chỉ ra rằng case 4 là phương án tốt nhất, kế là case 3 rồi 2.

H.12: Các phương án khác nhau khi lắp EGLA lên các pha.

c. Phần mềm TFlash :

7 trường hợp cần nghiên cứu  đưa vào phần mềm TFlash và liên kết với các giá trị TFR khác nhau, số lượng EGLA trên một cột khác nhau, thay đổi vị trí đặt EGLA trên pha khác nhau,…Tuy nhiên, cấu hình tối ưu khi dùng cách mô phỏng này đã không chọn ra được do ràng buộc về chi phí , bởi muốn đạt được mục tiêu độ tin cậy là 0,8 lần cắt/100km. năm thì cần ít nhất 330 EGLA trên 150 cột.

Điều này cho thấy chi phí đầu tư quá lớn và do đó, người ta quyết định giảm số lượng cột được lắp EGLA thông qua thủ tục chọn lựa ưu tiên. Các giá trị TFR , cao trình vị trí cột và các bản ghi GFD được nghiên cứu cho 150 cột và trong từng trường hợp, những cột nào có TFR lớn hơn 40 Ohm hoặc  cao trình trên 100m (ASL : Above Sea Level- trên mực nước biển) hoặc có GFD lớn hơn 16 lần/km2.năm thì được cho 1 điểm.Những cột nhận được tổng điểm là 3 được đánh dấu là có nguy cơ bị sét cao. Dựa trên kết quả xếp loại này, cuối cùng chỉ có chỉ có 4 cột trên cả ĐZ 500 kV này được chọn để lắp EGLA.

 Thêm vào đó, các cột đảo pha cũng được xem xét và thấy rằng, dựa trên mô phỏng TFlash, các pha bìa luôn luôn có nguy cơ sét đánh cao. Do đó, 2 trong số 5 vị trí cột đảo pha nằm trong khu vực sét hoạt động mạnh nhất cũng được chọn lắp EGLA.

Vị trí của EGLA

Những kết quả từ mô phỏng TFlash  đối với đường dây 132 kV KKMG chỉ rõ rằng các vị trí lắp đặt của các EGLA đã trang bị trước đây không nằm ở những cột có nguy cơ cao nhất về sét. Điều này xảy ra là vì lúc bấy giờ (2006) chưa có phần mềm phối hợp cách điện hỗ trợ cho quá trình lập kế hoạch lắp đặt. Hơn nữa, các giá trị TFR được sử dụng trong nghiên cứu trước đây là quá thấp (<10 Ohm) do phương pháp và thiết bị đo TFR không chính xác. Các ví dụ về việc chọn đặt EGLA sai chỗ thể hiện trong hình (H.13).

H. 13: Các ví dụ về việc chọn sai cột để lắp EGLA trên ĐZ 132 kV KKMG

Khi hoàn chỉnh nghiên cứu, cấu hình lắp EGLA cho cả 2 đường dây nêu trên được mô tả trong hình (H.14 ).

H. 14: Cấu hình bố trí EGLA trên cột (L/LS : cột đỡ tieu chuẩn ; TP : cột đảo pha ).

Kết luận

Trong trường hợp ĐZ 132 kV KKMG , có thể kết luận rằng:

  1. Tình trạng không hiệu quả của loạt EGLA đã lắp từ 2006 trên ĐZ là do xác định sai cột để lắp bởi dựa trên số liệu TFR sai .
  2. Dữ liệu GFD quá khứ không được sử dụng nhằm chọn vị trí cột phù hợp nhất để đặt EGLA mà đã dựa vào vị trí có sét đánh trùng  thời gian có cắt đường dây. Do giá trị GFD ảnh hưởng đến độ tin cậy của đường dây, việc tăng/giảm GFD giữa năm này với năm khác cũng hoặc làm tăng, hoặc giảm suất cắt đường dây  .

Đối với nghiên cứu  về đường dây 500 kV ATBT, các phát hiện chính là:

  1. Năm 2012 , suất cắt tổng thể giảm về Zero mặc dù GFD vẫn cao chính là do TFR giảm nhờ công trình cải tạo TFR suốt tuyến.
  2. Việc lắp EGLA trên cả 3 pha sẽ tránh được cắt điện cả 2 mạch (DCCT).
  3. Lắp EGLA theo cấu hình chữ L sẽ giảm được suất phóng điện ngược (BFR: Back-Flashover Rate).
  4. Các cột đảo pha dễ bị sét đánh hơn bởi góc bảo vệ dương.

Để có thể liên hệ, làm sáng tỏ, tổng quát  hơn các kết luận và phát hiện nêu cuối bài viết này, xin giới thiệu thêm một số bảng thống kê kết quả nghiên cứu mô phỏng dùng các phần mềm TFlash và SIGMA SLP   trên đường dây 275 kV mạch kép do nhóm tác giả thuộc Đại học Cardiff, Vương quốc Anh thực hiện, đăng trong IEEE Xplore  tháng 3-2009 với tựa : “Lightning Performance of 275 kV Transmission Lines”:

(dấu tròn đen đậm chỉ vị trí lắp EGLA)

Ghi chú : Shielding Failure Flashover Rate (SFFR) : suất sự cố do sét đánh vòng qua dây chống sét; BackFlashover Rate (BFR) : suất sự cố do phóng điện ngược; ToTal Flashover Rate (TOT hay TFR)  : suất sự cố tổng (=SFFR+BFR).

(dấu tròn đen đậm chỉ vị trí lắp EGLA)

Điều rất đáng chú ý qua 2 bảng tóm tắt kết quả tính toán này thì cách bố trí EGLA ở pha trên cùng cả 2 mạch , hoặc vừa pha trên cùng, vừa pha dưới cùng cả 2 mạch , sẽ cho ra suất cắt tổng thể bé hơn, thậm chí còn đều đạt suất cắt bằng Zero nếu TFR <40 Ohm! Có thể áp dụng kết qủa này vào thực tiễn để xem xét bố trí EGLA trên cột đường dây truyền tải của Công ty cho dự án sắp triển khai giai đoạn lắp đặt.


  • Hà Công minh - TP. Điều Độ - nguồn : website www.inmr.com, 26/8/2019