Ứng dụng phần mềm pscad xây dựng mô hình mô phỏng sét đánh đường dây truyền tải điện cao áp

TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 18 * 2018 41 
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSCAD XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 
SÉT ĐÁNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP 
Nguyễn Trung Thoại* 
Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung 
Tóm tắt 
Bài báo sử dụng phần mềm PSCAD xây dựng mô hình mô phỏng sét đánh đường dây 
truyền tải điện cao áp đối với hai trường hợp: đường dây truyền tải có một dây chống sét (DCS) 
và đường dây truyền tải có hai DCS. Sau đó tiến hành mô phỏng, tính toán và phân tích mức độ 
chịu sét khi: sét đánh đỉnh trụ, sét đánh khoảng vượt dây chống sét (DCS) và sét đánh đường 
dây truyền tải trên không (ĐDK), cuối cùng đưa ra các giải pháp hợp lý để nâng cao tính năng 
chịu sét của đường dây truyền tải. 
Từ khóa: Bảo vệ sét đánh, mức độ chịu sét, dây chống sét, đường dây truyền tải trên 
không. 
Abstract 
Application of PSCAD software to build the lightning simulation model 
for high voltage transmission line 
This paper uses PSCAD software to build the lightning simulation model for high voltage 
transmission line in two cases: the transmission line has a single lightning shielding wire (LSW) 
and the transmission line has double lightning shielding wires. Then proceed to simulate, 
calculate and analyze lightning withstand level when: lightning strikes on the top of the tower, 
lightning strikes over the lightning shielding wire and lightning strikes the overhead 
transmission line. Finally, the paper proposes some possible solutions to enhance the lightning 
protection performance of the transmission line. 
Keywords: Lightning protection, lightning withstand level, lightning shielding wire, 
overhead transmission line. 
1. Mở đầu 
Việc sử dụng đường dây truyền tải cao áp để truyền tải điện năng đi xa ngày càng trở 
nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Sự cố sét hại đối với 
đường dây truyền tải cao áp có ảnh hưởng rất lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng và thiệt 
hại kinh tế. Vì vậy, xây dựng mô hình mô phỏng sét đánh đường dây truyền tải điện cao áp 
trên phần mềm PSCAD (Power Systems Computer Aided Design) sẽ giúp cho việc tính 
toán các trường hợp sét đánh được chính xác, từ đó có được cơ sở dự liệu quan trọng góp 
phần đáng kể đến công việc nghiên cứu, thiết kế và quy hoạch hệ thống điện[1]. 
2. Nội dung nghiên cứu 
2.1. Phân tích bài toán thực tế 
Bài báo tính toán đường dây truyền tải 220kV mạch đơn hai nguồn cung cấp làm ví 
dụ, độ dài toàn tuyến 104.13km, bao gồm 272 trụ, bảo vệ chống sét cho đường dây dùng 
*
 Email: nguyentrungthoai@yahoo.com 
42 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
một DCS, trong đó đoạn đường dây giữa khoảng trụ 114#～122# có độ dài 2.458km đi qua 
khu vực mật độ sét cao, thường xảy ra sự cố ngắt mạch (được đề xuất cải tạo lắp hai DCS 
để nâng cao tính năng chịu sét). Tham số tính toán như bảng 1, mật độ điện cảm của trụ 
0.5(µH/m); điện trở nối đất 10Ω; dây dẫn loại LHAGJ-400/50; dây chống sét loại 
GJX-100[2-5]. 
 . Tham số của đường dây và trụ 
Thứ 
tự trụ 
Loại trụ 
Độ 
cao 
trụ 
(m) 
Khoảng 
vượt 
(m) 
Độ 
cao 
treo 
dây 
(m) 
Thứ 
tự trụ 
Loại trụ 
Độ 
cao 
trụ 
(m) 
Khoảng 
vượt 
(m) 
Độ 
cao 
treo 
dây 
(m) 
113 LUYJ5 15 391 13.5 119 LUZ5 16 227 13 
114 LUZ7 24 348 21 120 LUZ5 20 303 17 
115 LUZ5 16 195 14 121 LUZ6 24 359 21 
116 LUZ5 16 265 13.5 122 LUZ6 16 322 13.5 
117 LUZ5 20 205 17 123 LUYJ6 15 313 12 
118 LUYJ5 15 234 14 
2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng 
Căn cứ vào phân tích và đặc điểm đoạn đường dây nói trên vẽ được sơ đồ mô phỏng 
như hình 1 
Hì h . Sơ đồ mô phỏng khi sét đánh đỉnh trụ 
2.2.1. Mô hình mô phỏng dòng điện sét 
Trong bài báo việc lập mô hình mô phỏng dòng điện sét được áp dụng theo công thức 
(1) và hai chỉ số dòng điện sét được chọn là 2.6/50µs [2-7] 
0
t ti I e e  (1) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 18 * 2018 43 
Trong đó: I0
 biên độ dòng điện sét; α, β là hai hệ số 
Sơ đồ khối mô phỏng dòng điện sét trong phần mềm PSCAD như hình 2 
Hình 2. Sơ đồ khối mô phỏng dòng điện sét Hình 3. Hình dạng dòng điện sét trong 
mô phỏng 
2.2.2. Mô hình mô phỏng nguồn điện 
Hai đầu hệ thống điện được mô phỏng bằng nguồn điện áp tương đương và lệch pha 
một góc 300, trong phần mềm PSCAD mô hình mô phỏng nguồn điện như hình 4 
Hình 4. Mô hình nguồn điện Hình 5. Mô hình mô phỏng trụ 
điện 
2.2.3. Mô hình mô phỏng trụ điện 
Độ cao của các trụ trong đoạn đường dây khảo sát không vượt quá 30m, do đó trong 
tính toán (đặc biệt là tính toán phòng sét) thông thường áp dụng mô hình tham số điện cảm 
tập trung để mô phỏng trụ điện, điện cảm tương đương trên mỗi đơn vị chiều dài của trụ là 
0.5(µH/m). Mô hình mô phỏng trụ điện trong phần mềm PSCAD như hình 5[1-3,5,7]. 
2.2.4. Mô hình mô phỏng đường dây 
Mô hình mô phỏng đường dây áp dụng mô hình tham số biến tần. Trong phần mềm 
PSCAD, mô hình tham số biến tần đường dây như hình 6, sơ đồ tham số kết cấu trụ và 
đường dây như hình 7. 
44 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
Hình 6. Mô hình tham số biến tần đường dây 
Hình 7. Sơ đồ tham số kết cấu trụ và 
đường dây 
2.2.5. Mô hình mô phỏng cách điện 
Việc mô phỏng đóng ngắt cách điện được thực hiện thông qua việc khống chế điện 
áp, phán đoán phóng điện cách điện dựa vào phương pháp giao nhau, trong đó đường đặc 
tính điện áp phóng điện được xác định bỡi công thức (2)[2-3,5,7]. Trong PSCAD, cách điện 
làm việc bình thường như hình 10, cách điện phóng điện như hình 11. 
/ 4.0 /1.021350.0 598.0 2256.0t tu e e (2) 
Hình 8. Mô hình mô phỏng cách điện 
Hình 9. Đường đặc tính cách điện V-S 
Hình 10. Cách điện 
làm việc bình thường 
Hình 11. Cách điện 
phóng điện 
2.3. Phân tích mức độ chịu sét các trường hợp mô phỏng sét đánh 
2.3.1. Khi sét đánh đỉnh trụ 
Lập mô hình mô phỏng sét đánh đỉnh trụ trong hai trường hợp: đường dây truyền tải 
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 18 * 2018 45 
có một DCS và đường dây truyền tải có hai DCS với khoản trụ 114#~122# , kết quả phân 
tích mức độ chịu sét như bảng 2 và hình 12. Qua đó cho thấy mức độ chịu sét trung bình 
đường dây truyền tải có một DCS và đường dây truyền tải có hai DCS lần lượt là: 
120.6317kA và 149.0835kA (tăng 23.59%); Nguyên nhân làm tăng mức độ chịu sét là do: 
Trong trường hợp đường dây có hai DCS khi có sét đánh đỉnh trụ hai DCS có tác dụng phân 
dòng tốt hơn một DCS, kết quả làm giảm điện thế đỉnh trụ, dẫn đến hiệu điện thế hai đầu 
chuỗi cách điện cũng giảm, từ đó nâng cao được tính năng chịu sét của đường dây. 
 2. Kết quả phân tích mức độ chịu sét khi sét đánh đỉnh trụ 
Thứ 
tự trụ 
Loại trụ 
Độ 
cao trụ 
(m) 
Khoảng 
vượt 
(m) 
Độ cao 
treo dây 
(m) 
Một DCS 
(kA) 
Hai DCS 
(kA) 
114 LUZ7 24 348 21 107.5436 143.6035 
115 LUZ5 16 195 14 127.0005 149.8187 
116 LUZ5 16 265 13.5 127.0097 150.3414 
117 LUZ5 20 205 17 116.1829 148.5877 
118 LUYJ5 15 234 14 130.1572 156.3409 
119 LUZ5 16 227 13 127.0282 155.8794 
120 LUZ5 20 303 17 116.1737 148.3108 
121 LUZ6 24 359 21 107.5713 139.5423 
122 LUZ6 16 322 13.5 127.0189 149.3266 
Hì h 12. So sánh mức độ chịu sét khi sét 
đánh đỉnh trụ 
Hì h 3. So sánh mức độ chịu sét khi sét 
đánh khoảng vượt DCS 
2.3.2. Khi sét đánh khoảng vượt DCS 
Khi sét đánh khoảng vượt DCS mức độ chịu sét trung bình trong hai trường hợp: 
đường dây truyền tải có một dây DCS và đường dây truyền tải có hai DCS lần lượt là 
85.4277kA và 103.8193 (tăng 21.53%) như bảng 3 và hình 13. Kết quả mô phỏng cho thấy 
khi sét đánh khoảng vượt DCS mức độ chịu sét giảm đáng kể so với trường hợp sét đánh 
đỉnh trụ. 
 3. Kết quả phân tích mức độ chịu sét khi sét đánh khoảng vượt DCS 
Thứ 
tự trụ 
Loại trụ 
Độ 
cao trụ 
(m) 
Khoảng 
vượt 
(m) 
Độ cao 
treo dây 
(m) 
Một DCS 
(kA) 
Hai DCS 
(kA) 
114 LUZ7 24 348 21 80.9374 98.1453 
115 LUZ5 16 195 14 85.3219 112.5442 
46 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
116 LUZ5 16 265 13.5 89.2444 101.6068 
117 LUZ5 20 205 17 83.3683 100.2293 
118 LUYJ5 15 234 14 90.2296 116.4672 
119 LUZ5 16 227 13 86.1832 104.0066 
120 LUZ5 20 303 17 84.2449 99.6379 
121 LUZ6 24 359 21 82.2449 97.9148 
122 LUZ6 16 322 13.5 87.0751 103.8220 
Từ các kết quả phân tích trong bảng 2, bảng 3, hình 12 và hình 13 cho thấy: Các trụ 
có chiều cao càng lớn hơn thì mức độ chịu sét sẽ nhỏ hơn, nguyên nhân là do chiều cao của 
trụ càng tăng thì khả năng thu sét của đường dây truyền tải và trụ điện càng lớn, mặt khác 
khi sét đánh đỉnh trụ dòng điện sét truyền đến điện trở nối đất gây ra sóng phản xạ âm phản 
hồi về đỉnh trụ và các xà của trụ làm cho điện thế đỉnh trụ và các xà tăng lên, dễ gây ra sét 
đánh ngược. 
2.3.3. Phân tích mức độ chịu sét khi sét đánh khoảng vượt ĐDK 
Từ bảng 4 và hình 14, có thể thấy trong trường hợp đường dây truyền tải có hai DCS 
khi xảy ra sét đánh khoảng vượt ĐDK mức độ chịu sét tăng 0.46kA. Trường hợp này mức 
độ chịu sét có tăng nhưng không đáng kể so với các trường hợp sét đánh khoảng vượt DCS 
và sét đánh đỉnh trụ. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy khi sét đánh khoảng vượt DCS hoặc 
sét đánh đỉnh trụ mức độ chịu sét đạt đến hàng trăm kA, nhưng khi sét đánh trực tiếp ĐDK 
mức độ chịu sét chưa đạt đến 10kA. Thậm chí đối với dòng điện sét có biên độ nhỏ, một khi 
đã vượt qua hệ thống che chắn và đánh trực tiếp vào ĐDK cũng có thể gây ra phóng điện bề 
mặt cách điện. 
 ng 4. Kết quả phân tích mức độ chịu sét khi sét đánh khoảng vượt DCS 
Thứ 
tự trụ 
Loại trụ 
Độ 
cao trụ 
(m) 
Khoảng 
vượt 
(m) 
Độ cao 
treo dây 
(m) 
Một DCS 
(kA) 
Hai DCS 
(kA) 
114 LUZ7 24 348 21 5.91 6.37 
115 LUZ5 16 195 14 5.91 6.37 
116 LUZ5 16 265 13.5 5.91 6.37 
117 LUZ5 20 205 17 5.91 6.37 
118 LUYJ5 15 234 14 5.91 6.37 
119 LUZ5 16 227 13 5.91 6.37 
120 LUZ5 20 303 17 5.91 6.37 
121 LUZ6 24 359 21 5.91 6.37 
122 LUZ6 16 322 13.5 5.91 6.37 
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 18 * 2018 47 
Hì h 4. So sánh mức độ chịu sét khi sét đánh khoảng vượt ĐDK 
2.3.4. Biện pháp nâng cao tính năng chịu sét ĐDK 
Từ những kết quả mô phỏng trên cho thấy, nếu trong khoảng trụ từ 114#～122# được 
cải tạo thành hai DCS thì mức độ chịu sét của đường dây sẽ được nâng lên đáng kể. Tuy 
nhiên nếu vẫn giữ một DCS thì cần thiết phải có các giải pháp hợp lý để nâng cao tính năng 
chịu sét của đường dây như: giảm điện trở nối đất (Rnđ) hoặc tăng số bát cách điện. Trong 
phần này phân tích trụ điện 119# làm ví dụ. 
2.3.4.1. Giảm điện trở nối đất 
Khi giảm Rnđ của trụ: dòng điện sét qua trụ tăng lên, tăng khả năng phân dòng; điện 
thế đỉnh trụ giảm, dẫn đến giảm hiệu điện thế trên 2 đầu chuỗi cách điện, từ đó nâng cao 
được tính năng chịu sét đường dây. Kết quả mô phỏng hình 15 cho thấy khi Rnđ giảm từ 
20Ω đến 5Ω: mức độ chịu sét tăng từ 101.5227kA đến 146.8881kA, tăng 44,69%. Có thể 
thấy giảm Rnđ của trụ là phương pháp hiệu quả để tăng tính năng chịu sét ĐDK khi đường 
dây chỉ có một DCS. 
Hì h 5. Mức độ chịu sét khi thay đổi điện 
trở nối đất 
Hì h 16. Mức độ chịu sét khi tăng số bát 
cách điện 
2.3.4.2. Tăng số bát cách điện 
Duy trì các điều kiện không thay đổi, khi tăng số bát cách điện cho ĐDK mức độ chịu 
sét cũng tăng lên, kết quả mô phỏng hình 16 cho thấy khi tăng một bát cách điện mức độ 
chịu sét tương ứng cũng tăng lên 5.24%. 
3. Kết luận 
- DCS có ảnh hưởng lớn đến mức độ chịu sét của đường dây truyền tải, trong trường 
hợp đường dây truyền tải có hai DCS, khi sét đánh đỉnh trụ và khi sét đánh khoảng vượt 
DCS mức độ chịu sét tăng lần lượt là 23.59% và 21.53% so với đường dây truyền tải có một 
DCS. 
- Chiều cao của trụ điện có ảnh hưởng lớn đến tính năng chịu sét của đường dây 
48 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ YÊN 
truyền tải, chiều cao của trụ càng tăng thì khả năng thu sét của đường dây truyền tải và trụ 
điện càng lớn dẫn đến khả năng chịu sét giảm. 
- Ngoài ra nếu giảm Rnđ hoặc tăng số bát cách điện cũng là một trong những giải pháp 
mang lại hiệu quả cao trong việc bảo vệ sét đánh đường dây. 
Từ những kết quả phân tích trên, có thể thấy thông qua mô phỏng ta xác định được 
mức độ chịu sét của đường dây truyền tải cho từng trường hợp cụ thể trong thực tế. Đây 
cũng là cơ sở dự liệu hữu ích để những nhà nghiên cứu, thiết kế tham khảo khi tính toán, 
chọn lựa phương án bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải, đảm bảo tính kinh tế và kỹ 
thuật 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] User’s guide on the use of PSCAD, 244 Cree Crescent, Winnipeg, Manitoba, Canada 
R3J 3W1. 
[2] Nguyễn Trung Thoại, Nguyễn Đức Minh, Phan Xuân Lễ (2012), “Nghiên cứu mức độ 
chịu sét đường dây truyền tải 500kV mạch kép cùng trụ”, Hội nghị Khoa học quốc tế 
Năng lượng và phát triển xanh”, ISBN: 978-604-913-094-6(168-176). 
[3] Trần Văn Tớp (2007), Kỹ thuật điện cao áp quá điện áp và bảo vệ chống quá điện áp, 
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 
[4] Pritindra Chowdhuri, Fellow (2001), Parameters of lightning strokes and their effects 
on power systems, IEEE, 0-7803-7285-9/01 (1047-1451). 
[5] A.J.Eriksson (1987), An Improved Electrogeometric Model for Transmission Line 
Shielding Analysis. IEEE TPWRD, 2(3) (871-886). 
[6] Deng Xu, Zhou Hao (2011), Research of The Lightning Protection Performance for 
220kV Double-circuit Transmission Line, IEEE, 978-1-4577-1466 (314-317). 
[7] Wu Shuwen, Sun Wenxin (2011), Back Flashover Protection Performance Analysis 
of 220kV Double Circuit Transmission Line, IEEE, 978-1-4244-6253-7(1-4). 
(Ngày nhận bài: 28/3/2018; ngày phản biện:02/05/2018; ngày nhận đăng: 07/06/2018)