TỔNG QUAN CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO SÉT ĐÁNH

Sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế, khoa học kỹ thuật đã dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao. Năng lượng điện đóng vai trò sống còn trong sự phát triển công nghiệp. Các hệ thống điện có quy mô ngày càng lớn, điện áp làm việc ngày càng cao.

Theo quy định của IEC (International Electrotechnic Commission) thì điện áp cao trên 1000 V được phân loại như sau:

Bảng 0 – 1. Phân loại cấp điện áp trên 1000 V

Trong việc truyền tải điện với điện áp cao thì độ tin cậy cách điện ở điện áp làm việc và khi xuất hiện quá điện áp có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt là khi xuất hiện quá điện áp.

Quá điện áp có thể hiểu là các nhiễu loạn xếp chồng lên điện áp làm việc của hệ thống điện. Việc xác định đặc tính của các nhiễu loạn này là rất khó khăn, thường dùng phương pháp thống kê.

Quá điện áp được chia làm 2 dạng:

+ Quá điện áp nội bộ

+ Quá điện áp khí quyển

Nguyên nhân hình thành quá điện áp nội bộ là do sự thay đổi đột ngột của cấu trúc hệ thống điện. Nó gây ra song quá điện áp hoặc chuỗi các song cao tần không tuần hoàn hoặc tắt dần.

Trong đồ án này chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn về hiện tượng quá điện áp khí quyển do hiện tượng dông sét gây nên. Tìm hiểu tác hại của nó tới hệ thống điện, tính toán bảo vệ cho các thiết bị trong hệ thống.

1. Khái quát cơ bản về hiện tượng dông sét

Dông sét là hiện tương thời tiết rất kỳ bí và nguy hiểm, dông thường đi kèm với sấm chớp xảy ra. Cơn dông được hình thành khi có khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng. Cơn dông có thể kéo dài từ 30 phút tới 12 tiếng, có thể trải rộng từ hàng chục tới hàng trăm kilômet và được ví như một nhà máy phát điện nhỏ công suất hàng trăm MW, điện thế có thể đạt 1 tỷ V và dòng điện 10-200 kA. Sét hay các tia sét được sinh ra do sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây với đất hoặc giữa các đám mây với nhau. Một tia sét thông thường có thể thắp sáng bóng đèn 100 W trong ba tháng. Theo thống kê ước tính trên trái đất của chúng ta cứ mỗi giây có chừng 100 cú phóng điện xảy ra giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Công suất của nó có thể đạt tới hàng tỷ kW, làm nóng không khí tại vị trí phóng điện lên đến 28000 độ C (hơn ba lần nhiệt độ bề mặt mặt trời).

Các đám mây dông được tích điện là do các điện tích xuất hiện khi các hạt nước, hạt băng trong đám mây cọ xát vào nhau. Sau đó chủ yếu do đối lưu mà các điện tích dương dồn hết lên đỉnh đám mây còn các điện tích âm dồn xuống phía dưới. Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thông thường mây dông có kết cấu như sau: vùng điên tích âm nằm ở khu cực có độ cao 6 km, vùng điện tích dương nằm ở trên đám mây ở độ cao 8-12 km và một khối điện tích dương nhỏ nằm ở phía dưới chân mây. Khi các vùng điện tích đủ mạnh sẽ xảy ra phóng điện sét.

Sét gây tác hại cho con người và thiết bị khi nó đánh xuống đất. Trong loại sét đánh xuống đất, người ta phân chúng ra làm hai loại: sét âm và sét dương; sét âm (90%) chủ yếu xuất hiện từ phần dưới đám mây đánh xuống đất. Sét dương xuât hiện từ trên đỉnh đám mây đánh xuống. Loại sét dương này xuất hiện bất ngờ và rất nguy hiểm vì trời vẫn quang và phần dưới chưa mưa.

Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á, một trong ba tâm dông trên thế giới có hoạt động dông sét mạnh. Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài bắt đầu từ tháng 4 và kết thúc vào tháng 10. Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ dông trung bình là 250 giờ/năm. Trung bình mỗi năm có khoảng hai triệu cú sét đánh xuống đất trên toàn lãnh thổ Việt Nam.

Vì vậy việc phòng chống sét đánh trực tiếp vào các công trình, đặc biệt là hệ thống điên càng trở nên quan trọng, ảnh hưởng lớn tới việc cung cấp điện cho nền kinh tế quốc dân.

2. Ảnh hưởng, tác hại của dông sét

Con người là đối tượng đầu tiên chúng ta nhắc đến khi đề cập về thiệt hại của dông sét. Sét gây thương tích cho người bằng nhiều phương thức:- Đánh trực tiếp vào nạn nhân.

– Sét đánh vào vật gần nạn nhân, các tia lửa điện sinh ra phóng qua không khí vào nạn nhân (còn gọi là sét đánh tạt ngang).

– Sét đánh xuống mặt đất và lan truyền ra xung quanh.

– Sét lan truyền qua đường dây điện, đường dây điện thoại.

Đối với các công trình vật dụng sét cũng có tác hại rất lớn, bao gồm tác hại đánh trực tiếp, cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.

Tác hại do sét đánh trực tiếp : Sét đánh trực tiếp là sự phóng điện trực tiếp xuống đối tượng bị đánh. Sét thường đánh vào các nơi cao như cột điện, cột thu phát sóng viễn thông , nhà cao tầng,…vì ở đó do hiện tượng mũi nhọn nên các điện tích cảm ứng tập trung nhiều hơn, nhưng cũng có trường hợp sét đánh vào nơi thấp là vì ở đó đất hay các đối tượng dẫn điện tốt hơn nơi cao. Nơi bị sét đánh không khí bị nung nóng lên tới mức làm chảy các tấm sắt dày 4mm, đặc biệt nguy hiểm đối với những công trình có vật liệu dễ cháy nổ như kho mìn, bể xăng dầu…. Có trường hợp sét phá vỡ ống khói bằng gạch một đoạn dài 30-40 m và mảnh vỡ văng xa tới 200-300 m.

Tác hại gián tiếp của sét gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.

Cảm ứng tĩnh điện: Những công trình ở trên mặt đất nếu nối đất không tốt , khi có các đám mây dông mang điện tích ở bên trên thì phần trên của công trình sẽ cảm ứng nên những điện tích trái dấu với điện tích của đám mây. Hoặc nếu sét đánh gần công trình thì làm cho các điện tích trên đó mất đi không kịp với điện tích đám mây, mà còn tồn tại thêm một thơi gian nữa, gây nên điện thế cao so với mặt đất. Điện thế này có thể ở ngay trong nhà hoặc từ ngoài nhà theo dây điện,dây mạng, ống kim loại truyền vào nhà tạo nên những tia lửa điện gây cháy nổ hoặc tai nạn cho người.

Cảm ứng điện từ: Khi sét đánh vào các dây dẫn sét nằm trên công trình hay ở gần công trình thì sẽ tạo ra một từ trường biến đổi mạnh xung quanh dây dẫn dòng điện sét. Từ trường này làm cho các mạch vòng kín xuất hiện một sức điện động cảm ứng gây ra phóng điện thành tia lửa rất nguy hiểm.

Hệ thống điện là loại đối tượng chịu rất nhiều tác hại từ dông sét. Các đường dây tải điện, phần lớn là các đường dây trên không có chiều dài rất lớn đi qua nhiều vùng khác nhau nên xác suất bị sét đánh là tương đối cao. Khi sét đánh vào đường dây tải điện, có thể gây phóng điện trên cách điện của đường dây và gây sự cố cắt điện. Trên đường dây dài, chỉ một nơi bị sét đánh cũng có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm máy cắt tác động dẫn đến ngừng cung cấp điện và có thể gây tổn thất nghiêm trọng. Có thể nói rằng các sự cố trong hệ thống điện do sét gây nên chủ yếu là xảy ra trên đường dây.

Sét đánh vào đường dây còn làm xuất hiện sóng quá điện áp lan truyền về phía trạm biến áp, do hiệu ứng vầng quang nên sóng quá điện áp này thường bị biến dạng. Quá điện áp khí quyển xuất hiện do sét đánh trực tiếp hoặc đánh xuống đất gần đường dây. Trường hợp sét đánh trực tiếp luôn là mối nguy hiểm bởi đường dây phải hứng chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét.

Đối với trạm biến áp, nếu sét đánh trực tiếp vào phần dẫn điện của trạm được nối với nhiều đường dây bên ngoài: dòng điện sét có thể truyền ra phía ngoài trạm và quá điện áp trên thanh cái được xác định bởi:

Trong đó: Z_c – tổng trở xung kích của đường dây (cỡ 400Ω);

n – số đường dây được nối với phần bị sét đánh.

Trường hợp quá điện áp xuất hiện khi n =1, có thể đạt giá trị 800kV với dòng điện sét rất bé khoảng 2 kA. Điện áp này có thể gây phóng điện và dẫn đến sự cố trong trạm. Nếu có khe hở phóng điện hoặc chống sét van, chúng có thể bảo vệ các thiết bị đầu tiên trong trạm.

Nếu sét đánh vào phần làm việc của trạm cách ly với lưới điện bên ngoài, phần bị sét đánh có thể mô tả bằng một điện dung và quá điện áp có trị số là:

Dạng quá điện áp này có đặc trưng bởi độ dốc và biên độ khá lớn,khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện lớn nên cả chống sét van và khe hở không thể bảo vệ được các thiết bị.

Với một số phân tích đơn giản như trên, ta thấy rằng việc bảo vệ chống sét đánh trực tiêp vào đường dây tải điện và trạm biến áp là không thể thiếu.

3. Các phương pháp phòng chống sét

Trên thế giới hiên nay, trải qua 250 năm kể từ khi Franklin đề xuất phương pháp chống sét, trong lĩnh vực phòng chống sét đã có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng. Sau đây là một số phương pháp:

• Phương pháp dùng lồng Faraday:

Dựa vào tính chất đặc biệt của vật dẫn là ở trạng thái cân bằng tĩnh điện thì điện trường trong lòng vật dẫn luôn bằng 0 nên khi ta đặt vật cần bảo vệ bên trong một lòng kim loại dẫn điện thì nó không bị ảnh hưởng bởi điện trường bên ngoài. Đó chính là nguyên lý hoạt động của lồng Faraday. Theo lý thuyết thì đây là phương pháp lý tưởng để phòng chống sét. Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và không khả thi trên thực tế áp dụng cho tất cả các công trình nên nó chỉ được sử dụng bảo vệ một số khu vực đặc biệt như nơi chứa vũ khí thuốc nổ, hạt nhân.

• Phương pháp chống sét bằng cột thu sét truyền thống

Cột thu sét được Benjamin Franklin phát minh năm 1752 khi ông tiến hành thí nghiệm dùng 1 cây thép cao 40 foot để thu những tia lửa điện từ 1 đám mây. Sau hơn 250 năm, nguyên lý này vẫn được sử dụng rộng rãi chứng tỏ hiệu của bảo vệ của nó.

Về nguyên tác, cột thu sét là 1 dụng cụ đơn giản gồm 3 bộ phận chính:

– Kim thu sét: là 1 que kim loại nhọn gắn trên đỉnh của công trình cần bảo vệ. Thường có đường kính khoảng 2 cm.

– Hệ thống dây dẫn xuống đất.

– Hệ thống tiếp địa: là 1 hay nhiều thanh sắt (thép) dẫn điện tốt được đóng chặt xuống đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào trong đất.

Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng:

– Hệ gắn thẳng (dùng kim thu sét).

– Hệ dạng lưới bao quanh hay nằm trên đối tượng cần được bảo vệ (lưới thu sét).

Phương pháp này tạo điều kiện để thu hút phóng điện sét đến những điểm đặt sẵn trên mặt đất và tản dòng điện sét vào đất, tránh sét đánh trực tiếp vào công trình. Tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là do trong giai đoạn phóng điện tiên đạo, điện tích tập trung trên đỉnh các hệ thống thu sét (cột thu lôi hoặc dây chống sét) và điện trường lớn sẽ mở đường giữa tia tiên đạo và hệ thống thu sét. Tia tiên đạo phát triển từ các hệ thống thu sét ngược lên phía trên càng làm tăng điện trường và cuối cùng sét bị thu hút về các cột thu lôi và dây chống sét. Các công trình cần bảo vệ thấp hơn nằm gần hệ thống thu sét được che khuất, do đó ít có khả năng bị sét đánh.

Thực nghiệm cho thấy, hệ Franklin không cho hiệu quả  chống sét 100%. Tuy sét đánh vào kim thu sét nhiều hơn và hiệu quả của phương pháp chống sét là khá tốt, song nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy sét có thể bỏ qua kim thu sét mà đánh trực tiếp vào công trình dù đặt kim thu sét lên rất cao.

• Cột thu sét Franklin phát tia tiên đạo

Để nâng cao hiệu suất của cột thu sét truyền thống, người ta đã cải tiến kim thu sét của hệ Franklin nhằm khắc phục nhược điểm là tính thụ động khi thu sét.

Cấu tạo gồm:

– Đầu thu: 1 đầu thu cố định phía trên dùng thu sét và che chắn cho đầu phát xạ ion đặt bên trong. Nó được thiết kế để tạo dòng không khí chuyển động xuyên qua đầu phát ion, phát tán các ion này vào không gian xung quanh, tạo môi trường thuận lợi để kích hoạt sớm sự phóng điện (hiện tượng Corona).

– Thân kim: được làm bằng đồng đã xử lý hoặc inox, phía trên có 1 hay nhiều đầu nhọn để phát xạ ion. Các đầu nhọn này được nối với bộ phát xạ ion qua dây dẫn luồn bên trong ống cách điện.

– Bộ kích thích phát xạ ion: được làm bằng vật liệu ceramic, đặt phía dưới thân kim, trong buồng cách điện, nối với các đầu phát xạ bằng dây dẫn chịu điện áp cao. Khi có dông sét, dưới tác dụng của một lực bộ phận này sẽ phát ra các điện tích.

Nguyên lý hoạt động: một sự dao động nhỏ của kim thu sét so với cột đỡ cùng với áp lực được tạo ra trước đó trong bộ kích thích séinh ra những áp lực biến đổi ngược nhau. Chúng tạo ra điện thế cao tại các đầu nhọn phát xạ ion, sinh ra một lượng lớn ion xung quanh kim thu sét. Những ion này sẽ ion hóa dòng không khí chuyển động xung quanh và phía trên đầu thu. Không khí bị ion hóa sẽ kích thích sự phóng điện vào kim thu sét, giảm thiểu các trường hợp sét đánh vào công trình bên dưới.

Vậy hệ Franklin phát tia tiên đạo chủ động hơn hệ truyền thống.

• Phương pháp không truyền thống:

Một số hệ chống sét khác với dang Franklin nổi lên trong hàng trục năm gần đây. Đáng chú ý là:

– Hệ phát xạ sớm

– Hệ ngăn chặn sét (Hệ tiêu tán năng lượng sét).

Những người bảo vệ hệ dùng kim thu sét phát xạ sớm cho rằng tia này phóng tia tiên đạo sớm hơn so với hệ Franklin. Một vài dụng cụ được sử dụng gây phát xạ sớm như nguồn phóng xạ và kích thích điện của kim. Năm 1999, 17 nhà khoa học của hội đồng khoa học ICLP (International Conference on Lightning Protection) ra tuyên bố phản đối phương pháp này.

Hệ ngăn chặn sét với mục đích là phân tán điện tích của mây dông trước khi nó phóng điện. Hay nói một cách khác là đi tạo đám mây điên tích dương tai khu vực để làm chệch tia sét ra khỏi khu vực bảo vệ. Nhiều dạng dụng cụ phân tán được sử dụng. Chủ yếu được cấu tạo bởi rất nhiều kim mũi nhọn nối đất. Những điểm này có thể như những dạng lưới kim loại, bàn chải….

• Hút sét bằng tia laser:

Ngày nay chúng ta cần chống sét cho các công trình hiện đại đòi hỏi phương pháp chống sét có hiệu quả cao. Các nhóm nghiên cứu mạnh về vấn đề này là giáo sư Bazelyan (Nga), giáo sư Zen Kawazaki (Nhật). Đã có những kết quả bước đầu. Tại Nhật, năm 1997 sau rất nhiều lần thử nghiệm người ta đã hai lần thu được tia sét bằng cách này. Theo ý kiến các chuyên gia, về kỹ thuật có thể thực hiện được. Khó khăn ở chỗ đồng bộ hóa và chi phí cho một cú chống sét bằng phương pháp này có thể đắt hơn vàng. Hướng nghiên cứu này đang được tiếp tục nghiên cứu.

• Phương pháp phòng chống tích cực:

Một dạng phương pháp được sử dụng có hiệu quả trong những năm gần đây là dự báo dông sét sớm. Nhờ vào các thiết bị hiện đại như ra đa, vệ tinh, các hệ thống định vị phóng điện,… người ta có thể dự báo được khả năng có dông sét xảy ra tai khu vực trong thời gian từ 30 phút tới vài giờ. Các phương pháp này được ứng dụng rông rãi trong hàng không, điện lực, an toàn cho con người.