Các giải pháp chống đứt dây bọc trung áp do sét trên lưới phân phối

Dây dẫn bọc cách điện (dây bọc) đã được sử dụng rộng rãi trên dường dây trên không của đường dây và rất dễ bị đứt do hồ quang ngắn mạch do sét đánh trực tiếp hoặc sét gây ra quá điện áp. Phân tích và so sánh tất cả các biện pháp và thiết bị để ngăn chặn sự cố dứt dây bọc được áp dụng tại các quốc gia khác nhau sẽ được trình bày.

Tất cả các phương pháp này được phân loại thành ba loại theo nguyên tắc hoạt động và theo chức năng, các phương pháp này được tóm tắt thành phương pháp chặn hồ quang và phương pháp dẫn hướng hồ quang.

I.GIỚI THIỆU

Hiện nay, ở nhiều quốc gia, dây dẫn bọc được sử dụng rộng rãi để thay thế dây dẫn trần trên đường phân phối trên không (gọi tắt là đường dây). Sử dụng dây bọc mang lại nhiều ưu điểm, chẳng hạn như giảm sự cố phóng điện giữa 2 dây pha, giữa dây pha và cây cối xung quanh, giảm khoảng cách giữa các dây dẫn của ba pha, và ngăn chặn những tiếp xúc vô ý của con người với dây dẫn có thể dẫn đến tai nạn điện; giải quyết hiệu quả vấn đề xây dựng lưới điện thành phố, chẳng hạn như hành lang hẹp và tăng độ tin cậy cung cấp điện. Từ những năm đầu thập niên 1950, các dây bọc đã được sử  dụng ở Pháp, từ đó tỷ lệ sự cố hàng năm của đường dây trên mỗi 100 km giảm từ 10 lần khi sử dụng dây dẫn trần, xuống đến 2,5 lần khi sử dụng dây bọc. Sau đó, Thụy Điển, Phần Lan, Ý và các quốc gia khác đã bắt đầu áp dụng dây bọc và đạt được hiệu quả tốt. Ở Nhật Bản, để ngăn ngừa tai nạn và bảo vệ an toàn công cộng, gần như tất cả các dây dẫn trần trên đường dây trên không đã được thay thế bằng dây bọc.

Nhưng cùng với việc mở rộng sử dụng dây bọc,  thì lại phát sinh vấn đề mới. Một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất là dây bọc có thể dễ dàng bị đứt khi bị sét đánh. Ở nhiều quốc gia, sự cố  này xảy ra khi dây bọc được áp dụng trên đường dây trên không mà không có biện pháp bảo vệ chống sét tương ứng. Năm 1974 và 1975, đã ghi nhận có 397 sự cố đứt dây tại Công ty PP & L, trong đó hơn 50% các vụ sự cố này gây ra bởi sét cảm ứng. Tại Bắc Kinh, Trung Quốc, vào năm 1998, có 15 sự cố đứt dây do sét đánh xảy ra trên đường dây có chiều dài 600 km, tương ứng tỷ lệ sự cố đường dây 2,5 lần/100 km/năm.

Sét là nguyên nhân chính gây ra sự cố đường dây và những sự cố này có thể gây gián đoạn thoáng qua hoặc kéo dài trên các đường dây. Để ngăn chặn sự cố đứt dây bọc gây ra bởi sét, các biện pháp khác nhau và các thiết bị tương ứng đã được phát triển ở nhiều quốc gia. Mục đích của tài liệu này là để so sánh và thảo luận về các biện pháp bảo vệ.

II. CƠ CHẾ ĐỨT DÂY BỌC GÂY RA BỞI SÉT

A. Quá áp do sét trên đường dây phân phối

Hầu hết các sự cố đứt dây bọc đều gây ra bởi sét. Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc đánh vào mặt đất lân cận, cách điện sẽ bị phá vỡ, và sau đó các hồ quang tần số công nghiệp 50Hz đi theo sẽ đốt cháy dây bọc. Ở nông thôn, vì sét đánh trực tiếp vào đường dây, đó là nguyên nhân chính tạo ra phóng điện bề mặt (flashover) cách điện. Tia sét với cường độ dòng điện 10 kA có thể tạo ra một quá áp cao hơn 2000 kV, nó cao hơn nhiều so với khả năng chịu điện áp phóng điện xung (CFO) của đường dây.

Nhưng kinh nghiệm và quan sát cho thấy ở các thành phố, các sự cố trên các đường dây chủ yếu gây ra bởi quá điện áp cảm ứng khi sét đánh vào mặt đất hoặc cấu trúc lân cận. Điều này là bởi vì ở các thành phố, các tòa nhà/cấu trúc cao và cây có tác dụng như là dây chống sét cho đường dây kế cận và xác suất sét đánh trực tiếp là rất thấp. Ngoài ra, các đường dây thường có mức cách điện thấp và được xây dựng trên địa bàn rộng nên chúng tạo ra xác suất quá áp do ra sét dẫn đến sự gia tăng phóng điện bề mặt cách điện.

Nói chung, quá áp do sét có thể lên tới 300 kV hoặc cao hơn nhiều so với điện áp xung sét chịu được của đường dây phân phối điển hình với dây bọc. Vì vậy, quá áp trên các đường dây phân phối gây ra bởi sét đánh vào mặt đất lân cận hoặc các vật thể đủ cao để đánh thủng điểm cách điện yếu nhất điểm của dây dẫn và gây ra đứt dây bọc.

B. Cơ chế đứt dây

Khi sét đánh, bao gồm sét trực tiếp và sét cảm ứng, dẫn đến phóng điện bề mặt cách điện của đường dây đường dây phân phối, dòng điện tần số công nghiệp theo sau sẽ gây ra hồ quang ngắn mạch đi qua đường phóng điện bề mặt.  Đối với đường dây với dây dẫn trần, Hình 1. minh họa quá trình phát triển của hồ quang ngắn mạch ba pha.

Trong giai đoạn đầu, hồ quang đốt cháy giữa các dây dẫn tương ứng và xà đỡ dây, và do ảnh hưởng của lực từ tính (lực từ), các gốc hồ quang sẽ di chuyển dọc theo các dây dẫn. Với việc đốt các hồ quang, chiều dài và các vùng cháy của hồ quang sẽ mở rộng. Sau đó, hồ quang ba pha sẽ liên kết lại và thay đổi từ hồ quang pha-đất thành hồ quang pha-pha. Các các hồ quang pha-pha sẽ trượt về phía phụ tải giữa các dây dẫn dưới sự dẫn động của lực từ cho đến khi đi nó tắt.

Vì gốc hồ quang luôn di chuyển và không cháy ổn định tại cùng một điểm nên các dây dẫn trần sẽ không bị cháy.

Tuy nhiên, đối với các đường dây dây bọc, thì quá trình phát triển hồ quang ngắn mạch không giống nhau. Như thể hiện trong hình 2, trong giai đoạn đầu, hồ quang cháy giữa các dây dẫn tương ứng và xà đỡ dây, nhưng vì lớp cách điện bao quanh điểm gốc hồ quang trên dây dẫn của lớp vỏ bọc, lớp cách điện sẽ chặn gốc hồ quang di chuyển tự do và hồ quang gốc sẽ tiếp tục đốt cháy tại cùng một điểm trên dây dẫn mặc dù nó bị ảnh hưởng bởi lực từ. Với việc đốt hồ quang, chiều dài và vùng hồ quang sẽ phóng to và do đó các hồ quang ba pha sẽ liên kết và thay đổi từ các hồ quang pha-đất thành các hồ quang pha-pha. Nhưng gốc các hồ quang pha-pha vẫn cháy ở cùng một điểm trên dây dẫn và không thay đổi cho đến khi bị tắt. Vì hồ quang tần số công nghiệp đốt tại cùng một điểm trên dây dẫn trong một thời gian dài nên dây bọc bị cháy đứt. Hình 3 là một trường hợp của một dây bọc bị đứt trong thực tế. Nói chung, điểm cách điện yếu nhất trên dây bọc sẽ bị phá vỡ đầu tiên bởi quá điện áp sét.

Ngay cả khi điểm yếu của lớp cách điện dây dẫn cách xa tiếp xúc điểm giữa dây bọc và sứ đứng, sự phóng điện vẫn phát triển dọc theo các bề mặt của dây bọc và sứ đứng. Hình 4 cho thấy kết quả thử nghiệm hồ quang trong thử nghiệm khả năng chịu được hồ quang của chống sét có khe hở. Nhưng nếu điểm yếu của lớp cách điện quá xa so với sứ đứng, xung phóng điện bề mặt sẽ không phát triển. Nghiên cứu sự phân phối các điểm sự cố trên dây bọc khi có xung sét, thí nghiệm trên 8 loại dây bọc khác nhau với các tiết diện khác nhau từ 50 đến 240 mm2 đã được thực hiện. Các kết quả thử nghiệm cho thấy điểm sự cố của dây dẫn phân phối ngẫu nhiên trong phạm vi 200 mm từ tim sứ đứng về hai bên, như được hiển thị trong hình 5.

BẢNG II: ĐIỆN ÁP PHÓNG ĐIỆN 50% CỦA SỨ ĐỨNG TƯƠNG ỨNG VỚI DÂY DẪN TRẦN VÀ DÂY BỌC

BẢNG III: TỶ LỆ SỰ CỐ DO SÉT Ở CÁC MỨC ĐIỆN ÁP PHÓNG ĐIỆN 50% (CFO) KHÁC NHAU CỦA ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI (LẦN TRÊN 100km ĐD/NĂM VỚI SỐ NGÀY SÉT LÀ 40 NGÀY VÀ MẬT ĐỘ SÉT ĐÁNH VÀO MẶT ĐẤT LÀ 0,7 LẦN/km2/NĂM)

C. Lỗ hổng/vết rạn trên lớp cách điện của dây bọc

Ở Trung Quốc, các sứ đứng P15 và P20 được sử dụng trên dường dây10 kV. Điện áp phóng điện 50% (CFO) dưới các điều kiện dây dẫn khác nhau được thể hiện trong Bảng II. Độ dày lớp cách điện là 3 mm. Từ Bảng II, khi dây bọc được sử dụng, điện áp phóng điện 50% tăng lên đáng kể. Vì vậy nếu không có lỗ hổng/vết rạn trên lớp cách điện, điện áp cảm ứng cũng khó tạo thành phóng điện trên dây bọc. Bảng III cho thấy tỷ lệ sự cố sét của các đường dây 10 kV với chiều cao treo dây 10 m theo các điện áp phóng điện 50% khác nhau của đường dây, và nếu lớp cách điện hoàn hảo, thì tỷ lệ sự cố do sét của dây bọc trên đường dây sẽ rất thấp.

Vì vậy, nguyên nhân gốc rễ của các dây bọc bị đứt trên đường dây là có các lỗ hổng/vết rạn trên lớp cách điện, mà nó có thể được hình thành bởi một số lý do:

1. Sai sót ban đầu trong quá trình sản xuất, như là độ dày cách điện không đồng đều và các điểm gờ trên bề mặt ruột dẫn;
2. Hư hỏng lớp cách điện trong quá trình thi công hoặc trong vận hành;
3. Lỗ hổng/vết rạn cách điện được hình thành bởi phóng điện corona trên bề mặt của ruột dẫn kim loại bên trong dây bọc;
4. Các vết nứt của lớp cách điện được hình thành bởi sự lão hóa do phơi nhiễm lâu dài trong không khí;
5. Lỗ hổng/vết rạn cách điện do ảnh hưởng tích lũy của sét và các quá áp do xung đóng ngắt mạch điện;
6. Sự mài mòn lớp cách điện trong vùng liên kết giữa dây bọc và sứ đứng do các dây buộc sứ khi chịu gió thổi;
7. Do tiếp xúc lâu ngày với các cành cây, …

III. PHÂN LOẠI CÁC BIỆN PHÁP VÀ THIẾT BỊ ĐƯỢC PHÁT TRIỂN ĐỂ NGĂN SỰ CỐ ĐỨT DÂY BỌC.

Bởi vì mức cách điện của các đường dây là rất thấp và địa bàn phân bố trên diện rộng, nên rất khó tránh hoàn toàn các sự cố sét. Vì vậy, nguyên tắc bảo vệ quá điện áp sét trên đường dây là giảm bị sét đánh. Để ngăn ngừa sự cố đứt đây bọc trên đường dây, nhiều nhà nghiên cứu ở các quốc gia khác nhau, kể từ những năm 1960, đã nghiên cứu các giải pháp bảo vệ khác nhau và các thiết bị tương ứng theo kinh nghiệm vận hành đường dây. Tất cả các biện pháp và các thiết bị chống đứt dây bọc do sét trên dường dâycó thể được phân thành ba loại theo nguyên tắc hoạt động.

A. Loại I — Lắp đặt thiết bị bảo vệ (Bao gồm các dây chống sét)

Bổ sung dây chống sét trên đường dây là lựa chọn tự nhiên từ các giải pháp bảo vệ của lưới điện truyền tải mặc dù hiệu quả của nó không rõ ràng như ở đường dây truyền tải. Một giải pháp quan trọng khác là lắp đặt chống sét dọc theo đường dây, và đôi khi chống sét được sử dụng kết hợp với dây chống sét. Các ứng dụng của dây chống sét và chống sét được thảo luận trong tiêu chuẩn IEEE Std. 1410–1997. Gần đây, một loại chống sét chống phóng điện dài đã được phát triển.

1) Dây chống sét: Lắp đặt dây chống sét chủ yếu là để ngăn chặn các dây dẫn khỏi bị bị sét đánh trực tiếp. Vì mức cách điện của đường dây là thấp, nên hiệu quả của dây chống sét để cải thiện mức độ bảo vệ của đường dây tránh các cú sét đánh trực tiếp là không rõ ràng. Dây chống sét có thể bảo vệ hiệu quả chỉ khi đường dây có thiết kế cách điện tốt để cung cấp đủ CFO giữa các bộ phận nối đất và dây dẫn pha, với điện trở đất của trụ điện cực thấp.

Bên cạnh đó, các dây chống sét dây cũng có thể làm giảm các quá điện áp cảm ứng do sét trên đường dây và hiệu quả thật rõ ràng. Đối với đường dây có chiều cao treo dây 11 m và khoảng cách pha-pha là 0,7 m, nếu sét, với cường độ dòng điện 100 kA và dạng sóng 2/49 ms, sét đánh một điểm cách đường dây 50 m và nếu không có dây chống sét phía trên, giá trị đỉnh của điện áp cảm ứng là 500 kV, nhưng nếu có dây chống sét được lắp thêm vào đường dây, thì giá trị đỉnh của điện áp cảm ứng được giảm xuống còn 330 kV, giảm khoảng 40%. Vì vậy, các dây chống sét trên không có tác dụng rõ ràng để giảm quá áp cảm ứng và việc giá trị giảm sẽ phụ thuộc vào hai yếu tố điện trở nối đất trụ điện và khoảng cách của dây chống sét đến dây pha. Khoảng cách này thường nằm trong khoảng từ 0,6 đến 0,9 m.

2) Lắp đặt thiết bị chống sét: Nguồn gốc ban đầu, những thiết bị chống sét được lắp đặt trong hệ thống phân phối để bảo vệ hiệu quả cách điện thiết bị, chẳng hạn như máy biến áp và bộ điều áp.

Các chống sét được sử dụng để ngăn chặn phóng điện bề mặt và mất điện lưới phân phối, đặc biệt là cho đường dây bọc. Hiện có sẵn một số loại chống sét khác nhau, chẳng hạn như chống sét khe hở, sừng phóng điện, chống sét không khe hở ZnO. Từ quan điểm bảo vệ đường dây, tất cả các loại chống sét đều hoạt động theo cách tương tự. Sự khác biệt trong đặc tuyến điện áp xả sẽ chỉ tạo ra một sự khác biệt nhỏ trong việc bảo vệ cách điện.

Lắp bổ sung những thiết bị chống sét để chống sét đánh trực tiếp sẽ là việc khó khăn bởi vì dòng điện sét cao, tốc độ tăng áp cao và năng lượng lớn trong các tia chớp; và chống sét sẽ được lắp thêm tại từng trụ điện và trên từng pha. Để loại bỏ hầu hết các phóng điện bề mặt, cần phải tăng cường thêm các thiết bị chống sét trên mỗi trụ điện và mỗi pha kết hợp với dây chống sét. Dây chống sét sẽ chuyển hướng phần lớn sét đánh xuống mặt đất, nên các thiết bị chống sét sẽ không phải chịu nhiều năng lượng dòng sét. Các chống sét làm cho thiết kế dây chống sét ít phụ thuộc vào mức cách điện và hệ thống nối đất.

Lắp đặt thiết bị chống sét trên dường dây là một phương pháp được áp dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia. Hiệu quả của nó có hai khía cạnh: 1) hấp thụ năng lượng xả của sét để bảo vệ, và 2) hạn chế quá áp do sét gây ra.

Các thiết bị chống sét đã được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản. Ở giai đoạn đầu, các chống sét không khe hở được sử dụng, và được treo trên dây dẫn, đáy của chống sét được nối đất cùng với xà đở dây; do đó, các chống sét luôn chịu đựng điện áp tần số công nghiệp bên cạnh các xung sét ngắn hạn cũng như dòng điện tần số công nghiệp, và điều này dẫn đến lão hóa nhanh chóng các chống sét, gây ra nhiều hư hỏng chống sét. Để tránh các sự cố chạm đất do các chống sét bị hỏng, một bộ phận ngắt được lắp thêm vào đáy chống sét để cách ly chống sét hư ra khỏi hệ thống. Để tránh những nhược điểm của chống sét không khe hở, sau đó thiết bị chống sét có khe hở được phát triển và áp dụng. Tại Nhật Bản, những thiết bị chống sét khe hở phóng điện được áp dụng rộng rãi để giảm sự cố của hư hỏng chống sét. Hình 6 cho thấy cấu trúc và hình dạng của loại chống sét này, nó không chịu đựng điện áp tần số công nghiệp, do đó, tuổi thọ làm việc của chống sét sẽ bị kéo dài. Lắp đặt thiết bị chống sét trên đường dây có tác dụng tốt trong việc ngăn ngừa đứt dây bọc.

Ảnh hưởng của chống sét lên điện áp cảm ứng được phân tích ở điểm, điểm sét đánh gần  đường dây phân phối khỏang 50 m, và dòng sét có đỉnh 100 kA và dạng sóng 2/49 ms; khi chống sét được lắp đặt trên mỗi trụ, điện áp cảm ứng là 72 kV, nếu khoảng cách giữa 2 chống sét là 2 khoảng trụ và 6 khoảng trụ, điện áp cảm ứng tương ứng là 85 kV và 112 kV, nếu có lắp dây chống sét, điện áp cảm ứng là 72 kV, 74 kV và 84 kV, tương ứng cho khoảng khoảng cách một trụ, hai trụ, và sáu trụ.

Trung bình có 30 ngày giông sét ở Kyushu, Nhật Bản. Công ty Điện lực Kyushu bắt đầu lắp đặt những thiết bị chống sét trên các tuyến phân phối vào năm 1985, và đến năm 1994 đã có 87% tổng chiều dài đường dây được lắp thêm các chống sét này. Các sự cố sét đánh đứt dây đã giảm 50% và 80% số vụ sự cố xảy ra là trên các trụ giữa khoảng mà không có lắp các chống sét.

Năng lượng phóng sét có thể dễ dàng vượt quá khả năng hấp thụ định mức của các chống sét trong lưới phân phối, và điều này sẽ dẫn đến xác suất sự cố cao của các chống sét trong lưới phân phối. Lắp bổ sung dây chống sét rõ ràng sẽ làm giảm khả năng sự cố của các chống sét. Nếu không có dây chống sét, khi khả năng hấp thụ năng lượng định mức của chống sét là 30 kJ, thì tỷ lệ sự cố chống sét là 32%. Nếu dây chống sét được thêm vào, tỷ lệ sự cố thiết bị chống sét sẽ giảm xuống còn 5%.

3) Chống sét phóng điện dài (Long Flashover Arrester): Chống sét phóng điện dài (LFA) bao gồm ba mô-đun phóng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng xả, được bố trí song song với từng sứ cách điện để chống quá điện áp cảm ứng do sét và sét đánh trực tiếp. Chiều dài của LFA có thể lớn hơn vài lần so với sứ đứng, như trong hình 7 . Lắp bổ sung một LFA duy nhất cho mỗi trụ là đủ để bảo vệ đường dây trên không chống lại quá điện áp cảm ứng do sét; các LFA được lắp đặt trên các pha khác nhau luân phiên trên từng trụ. Điện áp xung phóng điện của LFA thấp hơn so với sứ đứng và khi bị quá áp do sét, LFA sẽ phóng điện trước sứ đứng. Chức năng của thiết bị này là tăng khoảng cách đường rò phóng điện (flashover creeping distance) để dễ dàng dập tắt hồ quang, do đó, dòng điện đi theo tần số công nghiệp sẽ không được hình thành, và sẽ không còn vấn đề hồ quang đốt cháy dẫn đến đứt dây bọc.

Điểm mấu chốt của phương pháp lắp thêm LFA là đặc tính thời gian-điện áp phối hợp giữa LFA và sứ đứng, đó là LFA nên hoạt động trước sứ đứng để đảm bảo đường phóng điện dọc theo LFA.

Chúng tôi đã sử dụng dây nhôm có chiều dài 1,5 m và đường kính 10 mm, sử dụng ống cao su co ngót nóng để bọc dây dẫn nhôm và độ dày của vật liệu cách điện hình thành trên dây dẫn nhôm là 5 mm. Đã hoàn thành thử nghiệm phối hợp cách điện xung giữa LFA và sứ đứng. Nếu lớp cách điện của dây bọc là hoàn hảo, thì sự phối hợp cách điện không dễ dàng đảm bảo. Vì vậy, phải làm thủng một lỗ pin trên dây bọc gần đầu của LFA. Sự phóng điện qua khoảng cách giữa đầu của LFA và dây dẫn và trên bề mặt của LFA được thể hiện trong Hình 8. Các kết quả thử nghiệm dưới các khoảng cách phóng điện khác nhau giữa LFA và dây bọc được thể hiện trong Bảng IV. Các điện áp xung xả 50% của sứ đứng PS20 theo xung dương và xung âm tương ứng là 150 kV và 180 kV. Vì vậy, khoảng cách phóng điện xả được giữ từ 4.0 đến 5.0 cm có thể đảm bảo xấp xỉ 20% biên độ phối hợp cách điện giữa sứ đứng và LFA. Một hiện tượng cần được chú ý khi chiều dài khoảng cách phóng điện là trong khoảng từ 4,0 đến 5,0 cm và phải quan tâm chú ý hơn khi điện áp phóng điện có sự thay đổi nhỏ.

BẢNG IV: ĐIỆN ÁP PHÓNG ĐIỆN XUNG 50% CỦA LFA THEO CÁC KHOẢNG CÁCH KHÁC NHAU CỦA KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN

Đối với đường dây có điểm trung tính không nối đất trực tiếp, dòng điện đi theo tần số công nghiệp là nhỏ, do đó độ dài yêu cầu của LFA là rất ngắn, vì vậy LFA có thể dễ dàng được áp dụng. Nhưng đối với đường dây có điểm trung tính nối đất trực tiếp, dòng điện hồ quang rất cao và chiều dài tính toán được của LFA dựa trên phương pháp phân tích khác nhau đều khác nhau, từ trong thí nghiệm nó là 3,24 m, vì vậy nó quá dài, không phù hợp với đường dây trung tính nối đất.

B. Loại II — Bóc tách một phần lớp cách điện của dây dẫn có vỏ bọc

Các dây bọc được bóc một phần lớp cách điện một tương tự như dây dẫn trần; hồ quang có thể trượt trên phần dây dẫn bị bóc cách điện và không cháy trên một điểm cố định.

Để rút ngắn chiều dài bóc cách điện của dây bọc, nên bổ sung kẹp dây chống hồ quang hoặc sứ đứng với kết cấu đặc biệt. Đầu năm 1982, Công ty Điện lực PP & L đã đề xuất phương pháp này và phát triển các thiết bị tương ứng, như được hiển thị trong Hình 9; các kẹp dây chống hồ quang được lắp đặt trên các điểm tiếp xúc trong  của đoạn dây dẫn bị bóc cách điện. Một khi sét dẫn đến phóng điện, hồ quang tần số công nghiệp điện trượt đến thiết bị này, và đốt cháy các thiết bị bảo vệ hồ quang thay vì dây bọc, nên các dây bọc sẽ được bảo vệ tốt hơn. Các kẹp dây chống hồ quang được làm bằng kim loại với kích thước lớn để chịu được việc đốt hồ quang.

Ở Phần Lan, kẹp dây chống hồ quang như thể hiện trong Hình 10 được phát triển, và chỉ có lớp cách điện của dây bọc bên trong thân kẹp phải bị tước bỏ. Đường dây với thiết bị bảo vệ này được gọi là hệ thống SAX, đã được sử dụng rộng rãi ở Phần Lan.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đề xuất một phương pháp để ngăn ngừa đứt dây bọc bằng cách áp dụng sứ đứng đặc biệt với khe phóng như trong Hình 11. Lớp cách điện của dây bọc trong vùng kết nối giữa dây dẫn và sứ đứng bị bóc tách và sau đó là phần bị tước của dây dẫn và điện cực cao áp của sứ đứng được phủ một lớp mũ cách điện sau khi dây dẫn được cố định, nhưng vẫn có đường thoát hồ quang ở bên cạnh của mũ cách điện. Các điểm cháy của gốc hồ quang được chuyển đến điện cực cao áp  với kích thước lớn để ngăn chặn việc đứt dây bọc. Ngoài ra, dưới tác động của lực từ và lực gió, hồ quang tần số công nghiệp sẽ di chuyển đến khoảng trống song song với sứ đứng, nó sẽ ngăn chặn các hồ quang đốt cháy bề mặt của sứ đứng.

C. Loại III — Gia tăng mức cách điện hoặc cải thiện cấu trúc cách điện

Tăng cường cục bộ mức cách điện của dây dẫn bọc, gia tăng điện áp phóng điện (CFO) của sứ đứng, và đường dây được cải thiện với mức cách điện được phân cấp bao gồm trong thể loại này.

1) Tăng cường cục bộ cách điện của các dây bọc: Thông thường, vì điểm đứt của dây bọc gần với sứ đứng, độ dày của lớp cách điện dây bọc kế cạnh sứ đứng được gia tăng lên để giảm các sự cố đứt dây do sét đánh. Hình 12 minh họa sơ đồ của phương pháp này. Cách điện trên vùng kết nối giữa dây dẫn và sứ đứng được tăng cường và do đó, điểm đứt dây chỉ có thể xảy ra ở các phần rìa của lớp cách điện được tăng cường, sau đó phóng điện bề mặt tạo ra thông qua bề mặt của lớp cách điện tăng cường và sứ đứng đến điểm nối đất. Vì vậy, đường dẫn phóng điện trở nên dài hơn, nó khó tạo thành hồ quang tần số công nghiệp và do đó làm giảm sự cố đứt dây dẫn.

Tổng chiều dài khuyến nghị của vật liệu cách điện tăng cường là 3 m, chiều dài của hai bên sứ đứng là 1,5 m, và độ dày của lớp cách điện tăng cường là 9 mm.

2) Tăng mức cách điện của sứ đứng: Mức cách điện của sứ đứng được tăng lên nhằm giảm đáng kể phóng điện xung sét trên các đường dây, do đó làm giảm sự cố đứt dây bọc do sét. Ở Trung Quốc, trong quá khứ, các sứ đứng PS15 đã được đề nghị sử dụng cho điện áp 10kV, sau đó các sứ đứng PS20 được khuyến nghị để thay thế các sứ đứng PS15 để tăng cường CFO của dường dây bọc, tỷ lệ sự cố sét giảm từ 4,6 lần xuống 1,2 lần trên 100 km đường dây mỗi năm.

Mặc dù độ bền cách điện của đường dây là tổng độ bền cách điện của sứ đứng và lớp cách điện của dây bọc, do các lỗ hổng/vết rạn trên lớp cách điện của dây bọc, độ bề cách điện của lớp bọc cách điện không thể được kể vào tổng độ bền cách điện của đường dây.

Rất khó thay đổi thông số CFO của sứ đứng bằng vật liệu gốm. Ở Trung Quốc, các sứ cách điện polymer được khuyên dùng, và CFO của chúng có thể dễ dàng được cải thiện bằng cách tăng chiều cao sứ. Phương pháp này rất hiệu quả để giảm sự cố đứt dây bọc và không cần bảo trì.

3) Hệ thống cách điện phân tầng: Ở Nhật Bản, một hệ thống cách điện phân tầng được áp dụng để giảm các sự cố do sét bằng cách phối hợp các mức cách điện được phân loại, và tăng cường hiệu quả các thiết bị chống sét trên đường dây. Mức cách điện của đường dây chính được tăng cường.

Các mức cách điện từ đường dây chính đến máy biến áp sẽ cho giảm dần dần, và mức cách điện kế cạnh máy biến áp phân phối được giảm để tạo thành một điểm cách điện yếu. Vì vậy, các điểm phóng điện sẽ tập trung vào điểm cách điện yếu gần sứ xuyên cao áp của máy biến áp, lắp thêm một máy cắt cao áp có bộ chống sét bên trong trước máy biến áp phân phối, và một cầu chì bảo vệ cao áp được sử dụng để cắt dòng điện tần số công nghiệp đi theo để ngăn chặn các sự cố đứt dây dẫn.

4) Cải tiến dây bọc: Mặt khác, cải tiến dây bọc được áp dụng. Đường kính của tất cả các lớp dây dẫn bên trong dây bọc được tăng lên để tăng cường khả năng chịu nhiệt, nó tăng gấp 2,7 lần dây dẫn bình thường, khả năng chịu nhiệt của dây bọc tăng lên và khả năng truyền nhiệt dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ được cải thiện. Trong khi đó, các lớp sợi khác nhau tiếp xúc hoàn toàn, khi đó sự dẫn nhiệt giữa các sợi khác nhau sẽ rất tốt, vì vậy nhiệt độ cao nhất của dây dẫn khi bị hồ quang đốt sẽ giảm. Lớp cách điện cũng phải đặc biệt. Khi có phóng điện hồ quang, lỗ thủng do phóng điện của lớp cách điện bị mở rộng, và sau đó vùng dây dẫn hở mở rộng ra, vì vậy hồ quang gốc có thể di chuyển trên khu vực dây dẫn “hở” lớn này.

IV. SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP

Đối với loại I – Thêm thiết bị bảo vệ và dây chống sét, hiệu quả của việc thêm dây chống sét trên toàn bộ dường dây để chống sét đánh trực tiếp là không rõ ràng, nhưng nó có thể giảm sét quá áp trên đường dây đến một hệ số 0,6 đến 0,9, và nếu nó được áp dụng kết hợp với chống sét thì tỷ lệ hư hỏng của các thiết bị chống sét sẽ giảm. Nhưng giải pháp này đòi hỏi chi phí cao và chỉ được áp dụng trong một số dự án lớn.

Lắp bổ sung chống sét có hiệu quả để loại bỏ các sự cố gây ra bởi điện áp cảm ứng. Khi áp dụng, tỷ lệ sự cố của các thiết bị chống sét bổ sung cần được xem xét cùng với việc cải thiện khả năng chịu phóng điện bề mặt của đường dây. Hiện nay, công nghệ chống sét được cải thiện thì tỷ lệ sự cố của chống sét vẫn đạt đến khoảng 5%. Vì vậy, chi phí bảo trì các bộ chống sét phân phối, bao gồm tìm kiếm và thay thế những chống sét hư hỏng, thí nghiệm định kỳ sẽ cao. Thêm LFA là một phương pháp hiệu quả nhằm loại bỏ hồ quang tần số công nghiệp. Nó phù hợp đối với đường dây có điểm trung tính không nối đất.

Đối với đường dây có điểm trung tính nối đất, LFA phải đạt chiều dài 3,24 m và chi phí sẽ tăng rất lớn, không phù hợp.

Đối với loại II – Bóc tách một phần lớp cách điện của dây bọc, điều này sẽ mang lại ba vấn đề. Đầu tiên, phần dây trần hoặc điện cực hoặc kẹp dây với điện áp cao rất nguy hiểm, và việc loại bỏ sự toàn vẹn dây bọc sẽ mang lại các yếu tố không an toàn cho lưới điện và con người, và khoảng cách pha-pha nên được tăng lên để đảm bảo vận hành an toàn. Thứ hai, do hiện tượng dãn nở nóng và co rút lạnh, trọng lực của độ võng dây dẫn, lớp cách điện trên dây dẫn sẽ co lại, và điều này dẫn đến vùng hở của dây dẫn trần tăng lên. Thứ ba, nước mưa sẽ xâm nhập vào bên trong của vật liệu cách điện qua các lớp ruột dẫn. Mưa hoặc hơi ẩm chứa các thành phần có hại, như CaO và CuO, kết hợp với ứng suất của các lớp ruột dẫn, sẽ tạo ra sự ăn mòn của các dây dẫn nhôm bên trong dây bọc. Mặt khác, sự ăn mòn điện hóa sẽ tạo ra. Vì vậy, để loại bỏ các vấn đề do tách bóc một phần vỏ cách điện dây bọc thì vùng bị tách bóc nên càng nhỏ càng tốt. Để khắc phục vấn đề này, dây bọc phải có cơ chế chống thấm, ví dụ, mũ cách điện sẽ bao trùm các khu vực bị tước của dây bọc và điện cực cao áp của sứ đứng, hoặc sử dụng dây bọc có lõi đặc. Mặc dù bổ sung kẹp cáp có thể chuyển điểm đốt hồ quang, hồ quang đi qua bề mặt của sứ cách điện, nó có thể đốt cháy sứ đứng, vì vậy hãy lắp thêm khe hở phóng điện song song để bảo vệ sứ đứng tốt hơn.

Để khắc phục những tồn tại trong phương pháp của bóc tách một phần lớp cách điện, ở Trung Quốc, người ta đã phát triển bộ phận bảo vệ hồ quang mới như Hình 13. Điện cực cao áp được cách ly với sứ đứng được kết nối với dây dẫn nhôm bên trong của dây bọc qua các kẹp răng bằng lực siết vào dây bọc, vì vậy không cần phải bóc tách cách điện dây bọc nhằm để giữ lớp cách điện hoàn hảo. Phóng điện xung và hồ quang tần số công nghiệp đi theo sẽ xảy ra tại khe hở phóng điện, vì vậy các sứ đứng sẽ không bị hồ quang đốt cháy.

Đối với loại III – Tăng mức cách điện hoặc cải thiện cấu trúc cách điện, ứng dụng của phương pháp tăng cường một phần cách điện là khá phức tạp về kỹ thuật, rất khó phổ biến. Phương pháp tăng điện áp phóng điện của sứ đứng dễ dàng được áp dụng bằng cách sử dụng sứ đứng polymer, chi phí không cao, và không cần thêm chi phí kỹ thuật trong vận hành đường dây, vì vậy đây là giải pháp được khuyến khích. Hệ thống cách điện phân tầng trên lưới phân phối, kết hợp bổ sung chống sét, là các phương pháp tốt để giảm tỷ lệ sự cố trên đường trục chính và nó phù hợp với đường dây bọc. Dây bọc cải tiến có thể giảm đáng kể các vụ đứt dây và chi phí kỹ thuật cho đường dây phân phối mới sẽ không tăng lên.

Những phương pháp, bao gồm bóc tách một phần cách điện, kết hợp với điện cực cao áp với khe phóng điện lắp song song, gia tăng mức cách điện của sứ đứng, áp dụng các dây bọc cải tiến và lắp đặt LFA, không cần bảo trì khi đưa chúng vào hoạt động, thích hợp để chống sét cho các đường dây theo thiết kế cũ và mới ngoại trừ việc áp dụng các dây bọc mới. Lắp bổ sung LFA là phương pháp phù hợp để cải thiện chống sét đường dây cũ.

Thêm dây chống sét cũng là một phương pháp bảo vệ chống sét mà không cần bảo trì, nhưng chi phí sẽ không thấp, phù hợp để chống sét đường dây thiết kế cũ và mới, nhưng đối với đường dây cũ, chiều cao của trụ điện phải được nâng cao.

Lắp bổ sung chống sét phù hợp cho đường dây cũ và mới, nhưng có chi phí cao và cần một khoản phí bảo trì cao.

Bảng V trình bày so sánh các biện pháp này để ngăn chặn sự cố đứt dây bọc. Một cách toàn diện, mỗi biện pháp khác nhau có hiệu quả đặc biệt chống đứt dây do sét trên đường dây phân phối.

Các chức năng của các phương pháp chống đứt dây do sét này có thể được phân loại thành hai lớp. Lớp 1 gồm giải pháp loại I và loại III là để ngăn chặn việc hình thành hồ quang tần số công nghiệp sau khi có xung sét và sau đó ngăn chặn đứt dây. Những phương pháp này có thể được gọi là phương pháp “Chặn hồ quang – arc blocking”. Lớp 2 là giải pháp loại II là truyền điểm gốc hồ quang từ dây dẫn đến một điện cực cao áp có kích thước lớn để không làm cháy dây dẫn. Các phương pháp này gọi là “dẫn hướng hồ quang – arc guide”.

V. KẾT LUẬN

Để ngăn ngừa sự cố đứt dây bọc trên dường dây gây ra bởi sét đánh, các biện pháp khác nhau và các thiết bị có đặc điểm và chức năng khác nhau đã được được phát triển, và được phân thành ba loại như đã phân tích ở trên. Mỗi giải pháp khác nhau có hiệu quả riêng chống đứt dây bọc cho lưới phân phối.

Các chức năng của các phương pháp chống đứt dây bọc so sét được chia thành hai lớp. Các chức năng của loại I và loại III là để ngăn chặn hình thành hồ quang tần số công nghiệp sau xung sét và sau đó ngăn chặn đứt dây bọc, có thể được gọi là giải pháp “chặn hồ quang”. Chức năng của loại II là chuyển điểm cháy của gốc hồ quang từ dây dẫn đến một điện cực cao áp với kích thước lớn so với dây dẫn bị đốt cháy, và những phương pháp này có thể được gọi là “dẫn hướng hồ quang”.

(Lược dịch từ bài báo Discussion on Measures Against Lightning Breakage of Covered Conductors on Distribution Lines của các tác giả: Jiang He, Shanqiang Gu, Shuiming Chen, Rong Zeng, Weijiang Chen, đăng trên tạp chí  IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY)