Hạn chế quá điện áp thao tác cho đường dây tải điện cao áp bằng chống sét van đường dây

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
46 
HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP THAO TÁC CHO ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CAO ÁP 
BẰNG CHỐNG SÉT VAN ĐƢỜNG DÂY 
LIMITATION OF SWITCHING OVERVOLTAGE BY USING 
 TRANSMISSION LINE SURGE ARRESTER 
Nguyễn Đức Tường 
Trường Đại học KTCN - Đại học Thái Nguyên 
Trần Văn Tớp 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
 Trong những năm gần đây, việc sử dụng chống sét van để bảo vệ chống quá điện áp cho các 
đường dây tải điện được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Trên các đường dây tải điện cao áp khi 
đóng đường dây có chiều dài không quá lớn trong chế độ hở mạch ở cuối đường dây, quá điện áp 
thường có giá trị nằm trong giới hạn cho phép. Trường hợp đóng không đồng pha sẽ dẫn đến quá 
điện áp vượt quá giới hạn cho phép được mô phỏng bởi phần mềm EMTP. Bài báo trình bày nghiên 
cứu hiện tượng quá điện áp do đóng đường dây 220kV không tải, xác suất xuất hiện quá điện áp nguy 
hiểm của nhiều lần đóng cắt. Trên cơ sở nghiên cứu này, đề xuất các phương án bảo vệ chống quá 
điện áp bằng cách sử dụng chống sét van đường dây loại ZnO và xét khả năng hấp thụ năng lượng 
của chống sét van. 
ABSTRACT 
 Application of Metal Oxide Surge Arresters in power systems has been traditionally linked to 
electrical equipment protection. In recent years, the industry has noted a significant increase in the 
application of metal oxide arresters on transmission lines in an effort to reduce overvoltage. Swiching 
overvoltage on high voltage transmission line of short length when a open line is closed is not very 
high and normally in limit value. Non simultaneous close of the circuit breaker lead to the high 
overvoltage and it will be simulated by using the program EMTP. From an investigation of overvoltage 
when an 220kV opened circuited high voltage transmission line is energized, we propose a limitation 
of overvoltage level by using transmission line surge arrester ZnO. This paper also presents the 
characteristics or energy absorption of transmission line surge arresters. 
I. 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 đường dây tải điện nói 
riêng. Nó không những ảnh hưởng tới tính kinh 
tế mà còn ảnh hưởng tới tính kỹ thuật của một 
mạng điện. Quá điện áp nội bộ tuy có độ lớn 
không bằng quá điện áp khí quyển nhưng 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 đã áp 
dụng một số biện pháp hạn chế quá điện áp như 
sử dụng máy cắt có mắc điện trở Shunt, phương 
pháp sơ đồ, điều khiển tiếp điểm đóng của máy 
cắt Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên chỉ có 
thể hạn chế được một số ít loại quá điện áp nội 
bộ [1], 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 
lượng tương đối cao và có thể sử dụng để bảo 
vệ quá nội bộ cho hệ thống điện nói chung và 
cho đường dây tải điện nói riêng. Ứng dụng 
biện pháp này sẽ hạn chế được quá điện áp nội 
bộ, góp phần nâng cao độ tin cậy và ổn định hệ 
thống điện. 
II. ĐỐI TƢỢNG KHẢO SÁT VÀ MÔ HÌNH 
MẠNG ĐIỆN TRONG CHƢƠNG TRÌNH 
ATPDraw 
2.1 Đối tƣợng và nhiệm vụ khảo sát 
- Đối tượng khảo sát là đường dây truyền tải 
220kV Sóc Sơn - Thái Nguyên tổng chiều dài 
truyền tải 39,9 km [2], có xét tới mạch vòng 
Phả Lại - Sóc Sơn - Thái Nguyên - Bắc Giang - 
Phả Lại [3], có sơ đồ nguyên lý như trên hình 1. 
- Nhiệm vụ khảo sát, thống kê mức quá điện áp 
của 100 lần đóng đường dây Thái Nguyên - Sóc 
Sơn khi không tải trong trường 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. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
47 
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạch vòng khảo sát 
2.2 Mô hình mạng điện và dự kiến phƣơng 
án đặt chống sét van 
- Mô hình mạng điện 220kV Phả Lại - 
Bắc Giang – Thái Nguyên – Sóc Sơn. 
Hình 2. Mô hình mạng điện trong chương trình 
ATPDraw 
Mô hình mạng điện trong chương trình 
ATPDraw được thể hiện như trên hình 2. Trong 
đó các phần tử của mạng điện được thay thế 
bằng các phần tử tương ứng trong chương trình 
ATPDraw [5, 6, 7, 8] như bảng 1. 
Thống kê quá điện áp trên đường dây của 
100 lần đóng cắt, ở đây thực hiện đóng đường 
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 đường 
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. 
Bảng 1. Các phần tử trong chương 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 
Đường dây tải 
điện 
Nhánh LLC 
4 Máy cắt 
Statistic Swich 
Swich time 3-ph 
5 Chống sét van MOV 3-ph 
Quá điện áp do đóng đường dây hở mạch 
thường xuất hiện trị số lớn phía cuối đường 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 lượng của chống sét van. Trong nội 
dung nghiên cứu có lựa chọn ba phương án lắp 
đặt chống sét van: 
- Phương án 1: Đặt chống sét van tại cuối 
đường dây (vị trí cột 1) như hình 3a. 
- Phương án 2: Đặt chống sét van tại hai đầu 
đường dây (vị trí cột 1 và 125) hình 3b. 
- Phương án 3: Đặt chống sét van tại hai đầu và 
giữa đường dây (vị trí cột 1, 125 và 60) hình 3c. 
Hình 3. Vị trí đặt chống sét van 
ACK-400/52-62,62km 
A
C
K
-4
1
0
/5
3
-3
9
,9
 k
m
2
x
3
5
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 
2
7
1
2
7
3
2
7
4
2
7
2
200 
125 MVA 
100 
112 
100 
A
C
R
S
-5
2
0
/6
7
-2
6
,9
 k
m
ACSR-520/67-57,9km 
ACSR-612/104-57,9km 
225 
224 
a) 
b) 
c) 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
48 
Đặc tính Vôn-Ampe (V-A) của chống sét van 
[4] được cho dưới bảng 2: 
Bảng 2. Đặc tính V-A của chống sét van 220kV 
Điện áp dư (kV) 
Xung 8/20s Xung đóng 
cắt 
1.5kA 3kA 5kA 10kA 20kA 40kA 125A 500A 
549 577 596 627 697 818 470 502 
III. KẾT QUẢ KHẢO SÁT 
Kết quả khảo sát quá điện áp xuất hiện 
trên đường dây được mô phỏng bằng chương 
trình Plotxy [5, 6, 7, 8]. Quá điện áp ứng với trị 
số trung bình như hình 4 và hình 5: 
- 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 4. Quá điện áp pha ở đường dây hở 
- Góc đóng 00. 
(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]
Hình 5. Quá điện áp pha ở đường dây hở 
Điện áp xuất hiện trên đường 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 
90
0
 thì biên độ giảm. 
Mô tả quy luật phân bố quá điện áp tại cuối 
đường dây hở mạch ứng với các trường hợp như 
hình 6: 
- Đường dây không lắp đặt chống sét van. 
- Đường dây đặt 1, 2 và 3 chống sét van. 
Ph©n bè ®iÖn ¸ p t ¹ i 
cuè i ®- ê ng d©y hë m¹ 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
HÖ sè qu¸ ¸ p (p.u)
X
¸
c
 s
u
Ê
t 
x
u
Ê
t 
h
iÖ
n
 (
%
)
0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV
Hình 6. 
Từ kết quả cho thấy sự xuất hiện của quá 
điện áp trong trường hợp không lắp đặt chống sét 
van với biên độ càng lớn thì xác suất xuất hiện 
càng nhỏ và ngược lại. Xác suất 2% (p.u) tại 
cuối đường dây 220kV có thể đạt tới trị số 4,75 
(p.u). Như vậy, quá điện áp do đóng đường dây 
hở mạch có giá trị lớn hơn nhiều so với mức dự 
trữ cách điện ở cấp điện áp tương ứng (3 p.u) [2]. 
Trong trường hợp có đặt chống sét van 
(1, 2 hay 3) thì điện áp tại cuối đường dây 
không vượt quá trị số 2p.u. Như vậy, với đường 
dây có chiều dài truyền tải không lớn chỉ cần sử 
dụng số ít chống sét van cũng có thể hạn chế 
được quá điện áp tới mức thấp. Tuy nhiên, số 
lượng lựa chọn cần phải xem xét khả năng hấp 
thụ năng lượng của chống sét van sử dụng. 
- Phân bố quá điện áp theo chiều dài 
đường dây trong chương trình ATPDraw có kết 
quả như trên hình 7 và hình 8, 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 trường hợp đóng đường 
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 đường dây. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
49 
- Tại vị trí đặt chống sét van quá điện áp 
không vượt quá 2p.u. Còn tại các vị trí không 
đặt chống sét van điện áp có lớn hn chút ít. 
ĐÓNG KHÔNG ĐỒNG THỜI GÓC ĐÓNG 0
0 
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 quá điện áp trên đường dây
Q
u
á
 đ
iệ
n
 á
p
 2
%
 (
p
.u
)
0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV
Hình 7. Phân bố điện áp theo chiều dài đường dây 
ĐÓNG KHÔNG ĐỒNG THỜI GÓC ĐÓNG 90
0 
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 áp trên đường dây
Q
u
á
 đ
iệ
n
 á
p
 2
%
 (
p
.u
)
0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV
Hình 8. Phân bố điện áp theo chiều dài đường dây 
IV. NĂNG LƢỢNG HẤP THỤ CỦA 
CHỐNG SÉT VAN [9] 
Khi xuất hiện quá điện áp thao tác trên 
đường dây, chống sét van đường dây đặt dưới 
giá trị điện áp cao sẽ phóng điện. Dòng phóng 
qua chống sét van có dạng xung vuông góc và 
điện áp dư trên chống sét van có dạng chữ nhật. 
Năng lượng hấp thụ của chống sét van khi đó 
được xác định theo biểu thức: 
W = Ua.Ia.td (1)
Trong đó : 
Ua - điện áp dư của chống sét van. 
Ia - dòng điện qua chống sét van. 
td - thời gian tồn tại xung đóng cắt. 
Hình 9. Quan hệ U-I của chống sét van và của 
đường dây 
Khoảng thời gian tồn tại xung đóng cắt 
có thể được 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 đường dây và tốc độ truyền sóng lấy 
bằng tốc độ ánh sáng.Điện áp và dòng phóng 
điện chống sét van có thể xác định được qua 
các tham số của chống sét van, đường dây và 
mức quá điện áp đặt lên chống sét van. Giả sử 
đường dây có mức quá điện áp thao tác với biên 
độ xung là USS. Khi đó nguồn quá điện áp được 
mắc nối tiếp với tổng trở sóng của đường dây 
và điện trở của chống sét van (có kể tới điện trở 
nối đất chân cột). Nếu gọi Z0 là tổng trở sóng 
của đường dây thì ta có quan hệ: Uss = Ia.Z0 + 
Ua (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 phương pháp 
đồ thị với đặc tuyến V-A của chống sét van đã 
biết. 
Khi đó: 
0
ass
a
Z
UU
I

 (2’) 
Điện áp và dòng điện qua chống sét van 
là toạ độ của điểm a có (Ua; Ia) là điểm giao của 
đường cong Uarr và đường xiên góc USS– Ia.Z0 
(có độ dốc -Z0) thoả mãn phương trình (2). 
Trong tính toán lấy gần đúng Z0 = 400, 
thời gian tồn tại xung đóng cắt td = 266 (S). 
Uarr=f(I) 
USS 
U (kV) 
I (A) 
Ia 
Ua 
độ dốc -Z0 
a 
USS - I.Z0 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
50 
Năng lượng hấp thụ trên chống sét van 
trong các trường hợp góc đóng của máy cắt là 
90
0
 và 00 ứng với các phương án lắp đặt chống 
sét van được thể hiện trên bảng 3. 
Bảng 3. 
Năng lượng 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 lượng hấp thụ trên chống sét van có 
thể đạt tới 118kJ tại cuối đường dây trong 
trường hợp các tiếp điểm của máy cắt tiếp xúc 
đồng thời. Tuy nhiên, với chống sét van đường 
dây (ZnO) thì khả năng hấp thụ lớn hơn nhiều. 
Ví dụ như loại AZG2 [2] có thể tới W = 
2,7x240 = 648 (kJ). Như vậy, với các đường 
dây ngắn (vài chục km) nếu chỉ dùng một 
chống sét van đặt tại cuối đường dây thì vẫn 
hạn chế được quá điện áp (do đóng đường dây 
không tải) xuống mức < 2p.u mà vẫn đảm bảo 
độ bền nhiệt cần thiết. 
V. KẾT LUẬN 
- Quá điện áp thao tác trên các đường dây 
tải điện cao áp 220kV chiều dàI dưới 100km, 
khi đóng đường dây không tải không gây guy 
hiểm cho cách điện. 
- Xác suất 2% các lần đóng cắt có thể dẫn 
đến quá điện áp ở cuối đường dây vượt quá 
mức cách điện cho phép. 
- Sử dụng 1 bộ chống sét van đường dây 
đặt ở cuối đường dây cho phép hạn chế quá 
điện áp ở mức 2,5pu. Nừu sử dụng 2 bộ chống 
sét van đặt ở hai đầu đường dây có thể giảm 
mức quá điện áp xuống mức 2pu. 
- Khi chống sét van tác động, năng lượng 
qua chống sét van thấp hơn khả năng thông 
thoát của nó. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Trần Văn Áp; Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ, các giải pháp 
giảm thiểu tác động đến môi trường trong vận hành hệ thống điện truyền tải cao áp và siêu cao 
áp; Hà Nội năm 2005. 
2. Trần Đức Cường; Cải tạo đường dây 110kV Sóc Sơn - Thái Nguyên kết hợp đường dây 220kV 
Sóc Sơn Thái Nguyên; Công ty tư vấn xây dựng điện 1; Hà Nội năm 2006. 
3. Phạm Văn Ngà; Thuyết minh và bản vẽ thi công đường dây 220kV Bắc Giang - Thái Nguyên; 
Công ty tư vấn xây dựng điện 1; Hà Nội năm 2006. 
4. Cooper power systems-Surge Arresters. 
5. ATP Rule book, EMTP–ATP Programs, 2004. 
6. László Prikler, Hans Kristian Høidalen-ATPDRAW version 3.5, 2004. 
7. ATP Theory book, EMTP–ATP Programs, 2004. 
8. ATP Manual book, EMTP–ATP Programs, 2004. 
9. Calculation of Arrester Energy During Transmission Line Switching Surge Discharge – HUBELL 
POWER SYSTEMS, INC. 
Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Đức Tường - Tel: 0912.739.229 
 Email: nguyenductuonghtd@yahoo.com.vn 
 Bộ môn: Hệ thống điện, Khoa Điện 
 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.