MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
LỜI MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP 3
1.1. Mở đầu 3
1.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh thẳng 3
1.3. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét 4
1.4. Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ 9
1.5. Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp 10
1.6. So sánh và tổng kết phương án 25
Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 26
2.1. Mở đầu 26
2.2. Các yêu cầu kĩ thuật 26
2.3. Lý thuyết tính toán nối đất 28
2.4. Tính toán nối đất an toàn 33
2.5. Nối đất chống sét 36
2.6. Kết luận 47
CHƯƠNG 3. BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 48
3.1. Mở đầu. 48
3.2. Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây. 48
3.3. Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây. 51
CHƯƠNG 4. BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP TỪ PHÍA ĐƯỜNG DÂY 220 KV 76
4.1 Khái niệm chung. 76
4.2. Phương pháp tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm. 77
4.3. Tính toán khi có sóng quá điện áp truyền vào trạm 82
4.4. Nhận xét. 91
4.5. Tính toán sóng quá điện áp truyền vào trạm bằng ATP. 91
4.6. Kết quả tính toán bằng ATP. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106
LỜI MỞ ĐẦU
Là một sinh viên đang học tập và rèn luyện tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội, em cảm thấy một niềm tự hào và động lực to lớn cho sự phát triển của bản thân trong tương lai. Sau năm năm học đại học, dưới sự chỉ bảo, quan tâm của các thầy cô, sự nỗ lực của bản thân, em đã thu được những bài học rất bổ ích, đựơc tiếp cận các kiến thức khoa học kĩ thuật tiên tiến phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn mình theo đuổi. Có thể nói, những đồ án môn học, bài tập lớn hay những nghiên cứu khoa học mà một sinh viên thực hiện chính là một cách thể hiện mức độ tiếp thu kiến thức và vận dụng sự dạy bảo quan tâm của thầy cô.
Chính vì vậy em đã dành thời gian và công sức để hoàn thành đồ án tốt nghiệp “ Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV và đường dây 220kV ”này như một cố gắng đền đáp công ơn của thầy cô cũng như tổng kết lại kiến thức thu được sau một quá trình học tập và rèn luyện tại trường đại học Bách Khoa.
Trong thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp em luôn nhận được sự chỉ bảo, động viên tận tình của các thầy cô, gia đình và các bạn, đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy giáo Trần Văn Tớp đã giúp em hoàn thành tốt bản đồ này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Văn Tớp và các thầy, các cô cùng toàn thể các bạn trong bộ môn Hệ thống điện.
104 trang |
Chia sẻ: banmai | Lượt xem: 3822 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 220/110kV và đường dây 220kV, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
p ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp mà chỉ có thể chọn theo mức hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật. Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đường dây không phải là an toàn tuyệt đối mà chỉ cần ở mức độ giới hạn hợp lý.
3.2. Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây.
Trong phần này ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây, trên cơ sở đó xác định được các phương hướng và biện pháp để giảm số lần cắt điện của đường dây cần bảo vệ.
3. 2. 1. Cường độ hoạt động của sét:
Số ngày sét: Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày có giông sét hàng năm (nng. s). Các số liệu này được xác định theo số liệu quan trắc ở các đài trạm khí tượng phân bố trên lãnh thổ từng nước.
Mật độ sét: Để tính toán số lần có phóng điện xuống đất cần biết về số lần có sét đánh trên diện tích 1km2 mặt đất ứng với một ngày sét, nó có trị số khoảng ms = 0,1 0,15 lần/km2. ngày sét. Từ đó sẽ tính được số lần sét đánh vào các công trình hoặc lên đường dây tải điện. Kết quả tính toán này cho một giá trị trung bình.
3. 2. 2. Số lần sét đánh vào đường dây:
a. Số lần sét đánh vào đường dây:
Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đường dây đi qua, có thể tính số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm là:
(3-1)
Trong đó: ms: mật độ sét vùng có đường dây đi qua
nng. s: số ngày sét trong một năm.
h: chiều cao trung bình của các dây dẫn (m).
L: chiều dài của đường dây (km).
Lấy L = 100km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây trong một năm.
(3-2)
Tuỳ theo vị trí sét đánh quá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị số khác nhau. Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét thành ba khả năng.
b. Sét đánh vào đỉnh cột:
(3-3)
c. Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
(3-4)
Trong đó N: tổng số lần sét đánh vào đường dây.
: xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nó phụ thuộc vào góc bảo vệ và được xác định theo công thức sau:
(3-5)
Trong đó hc: chiều cao của cột (m).
: góc bảo vệ (độ).
d. Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt:
(3-6)
3. 2. 3. Số lần phóng điện do sét đánh.
Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đường dây (sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét) có thể gây ra phóng điện. Khả năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện . Như thế ứng với số lần sét đánh Ni số lần phóng điện:
(3-7)
Xác suất phóng điện phụ thuộc trị số của quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S) của đường dây.
(3-8)
a. Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây.
Khi có phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu có xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện. Xác suất hình thành hồ quang phụ thuộc vào điện áp làm việc trên cách điện pha của đường dây và độ dài cách điện của đường dây. Có thể xác định theo bảng sau.
Bảng 3- 1: Bảng xác suất hình thành hồ quang
10
20
30
50
0,1
0,25
0,45
0,6
Với Ulv: điện áp pha làm việc.
Lcs : chiều dài chuỗi sứ.
Hình3- 1: Đồ thị
Đối với đường dây dùng cột gỗ tính theo công thức
(3-9)
Etb: là cường độ trường trung bình trên tổng chiều dài cách điện ( kV/m).
Cuối cùng có thể tính số lần cắt của đường dây tương ứng với số lần sét đánh Ni:
(3-10)
Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây:
(3-11)
b. Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng.
Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây cảm ứng gây phóng điện trên cách điện đường dây.
(3-12)
Trong đó ns: là số ngày sét trong một năm.
h : độ treo cao trung bình của dây dẫn.
U50%: điện áp phóng điện 50% của chuỗi sứ.
Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng
(3-13)
Đường dây 110kV trở lên do mức cách điện cao (U50% lớn) nên suất cắt do quá điện áp cảm ứng có trị số bé và trong cách tính toán có thể bỏ qua thành phần này.
3.3. Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây.
3. 3. 1. Mô tả đường dây cần bảo vệ
a) Kết cấu cột điện.
Hình 3-2: Sơ đồ cột lộ đơn 220kV.
Loại cột: sắt, mạch đơn.
Chiều cao cột: 27m.
Chuỗi sứ:
+ Số lượng 14 bát.
+ Loại có chiều dài 1 bát sứ là lsứ = 170mm.
Độ cao treo dây dẫn pha A: 21m.
Độ cao treo dây dẫn pha B: 15m.
Độ cao treo dây dẫn pha C: 15m.
b) Dây dẫn và dây chống sét.
Dây dẫn AC – 300.
Dây chống sét C – 95
Khoảng vượt lkv=320m.
c) Nối đất cột điện
Điện trở suất của nối đất .
Điện trở nối đất cột điện Rc = 15.
3. 3. 2. Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây.
a) Độ võng của dây.
Độ võng của dây dẫn AC-300:
Các thông số sủa dây AC - 300:
Ứng suất cho phép: .
Modul đàn hồi: .
Hệ số giãn nở nhiệt: .
Tải trọng do trọng lượng gây ra .
Tải trọng do gió gây ra (áp lực gió cấp 3 với v=30m/s):
Trong đó + là lực tác dụng của gió lên 1m dây
+ là hệ số không đều của áp lực gió
+ là hệ số khí động hóc của dây dẫn phụ thuộc vào đường kính của dây( khi d< 20 mm)
+ m:là diện tích chắn gió của 1m dây
Vậy
(m)
(kG/m)
Tải trọng tổng hợp:
Ta có:
(m)
Kiểm tra điều kiên ta thấy (m)
Vậy phương trình trạng thái lấy lấy trạng thái ứng với làm trạng thái xuất phát. Phương trình trạng thái có dạng:
Ta có phương trình:
có nghiệm
Độ võng: (m)
Độ võng của dây dẫn chống sét:
Tính tương tự ta có: (m)
b) Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A ( hAtb).
Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A là: (m)
Góc bảo vệ pha A:
Tương tự ta có: Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha B(C ) là:11,18 m
Góc bảo vệ pha B(C ):
c) Tổng trở sóng của dây dẫn.
Tổng trở sóng của dây dẫn được tính theo công thức:
(3-14)
Trong đó: r: Bán kính dây dẫn.
h: Độ treo cao trung bình của dây dẫn.
Tổng trở sóng pha A.
Dây dẫn pha A là dây AC-300 có r = 9,78. 10-3m nên: ()
Tổng trở sóng pha B(C). Tương tự ta có ()
Tổng trở sóng dây chống sét.
Dây chống sét là dây C-95 có r = 5,35. 10-3m
Khi không kể đến ảnh hưởng của vầng quang. ()
Khi có kể đến ảnh hưởng của vầng quang.
=1,4 : là hệ số hiệu chỉnh khi xuất hiện vầng quang được tra từ bảng với cấp điện áp 220kV ()
d) Hệ số ngẫu hợp.
Hình 3-3: Sơ đồ xác đinh hệ số ngẫu hợp.
Khi chưa có vầng quang thì hệ số ngẫu hợp K được tính như sau với dây dẫn 1 và dây chống sét 2.
(3-15)
Trong đó: h2 là độ treo cao của dây chống sét.
r2: bán kính của dây chống sét.
d12: khoảng cách giữa dây chống sét và dây dẫn.
D12: khoảng cách giữa dây chống sét và ảnh của dây dẫn.
Khi xét đến ảnh hưởng của vầng quang điện: (3-16)
Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha A và dây chống sét.
Với pha A ta có:
Độ treo cao của dây dẫn h1 = 21m.
Độ treo cao của dây chống sét h2 = 27m.
Độ dài của xà lxà = 3m.
Bán kính dây dẫn r2 = 9,775. 10-3m.
Ta tính được:
Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha B(C) và dây chống sét.
Tính toán tương tự ta có:
e) Nhận xét.
Khi tính toán các chỉ tiêu chống sét do các pha có các thông số khác nhau nên trong nỗi trường hợp ta chọn trường hợp nguy hiểm nhất để tính.
Khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn ta chỉ xét cho pha A (pha có góc bảo vệ lớn nhất).
Khi sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét ta tính cho pha B hoặc C (pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ hơn).
Khi sét đánh vào đỉnh cột ta sẽ tính với pha có Ucđ(a,t) lớn nhất.
3.3.3. Tính số lần sét đánh vào đường dây.
Nếu gọi N là tổng số lần sét đánh trên đường dây và với nng.s= 95ngày/năm; hcs = 23,587 m ta có: (lần/100km. năm).
Ta lấy khả năng nguy hiểm nhất để tính N = 201,66 lần/100km. năm.
Trong đó: Ndd: số lần sét đánh vào dây dẫn.
Nđc: số lần sét đánh vào đỉnh cột.
Nkv: số lần sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét.
a) Số lần sét dánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn.
Trong trường hợp này ta tính với dây dẫn pha A. Trước tiên ta cần đi xác định xác suất phóng điện với các thông số như sau: .
Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét:
Số lần sét đánh vào dây dẫn: (lần/100km. năm)
b) Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt.
(lần/100km. năm)
3.3.4. Suất cắt do sét đánh vào đường dây.
a) Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn.
Số lần cắt của đường dây:
Trong đó: là xác suất phóng điện được xác định như sau:
Ta có: ;
: xác suất hình thành hồ quang xác định như sau:
lpd: chiều dài phóng điện, lấy bằng chiều dài chuỗi sứ
lsứ: độ cao một bát sứ.
n: số bát sứ của chuỗi sứ.
()
Từ đồ thị 3. 1 ta có (lần/100km. năm)
b) Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt.
Khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét, để đơn giản cho tính toán ta giả thiết sét đánh vào chính giữa khoảng vượt, dòng điện sét chia đều sang hai bên như hình vẽ.
Hình 3- 4: Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét.
Lấy với dạng sóng xiên góc. Lúc này trên dây chống sét và mỗi cột sẽ có dòng điện là .
Khi tính toán ta cần tính với các giá trị khác nhau của dòng điện sét.
Khi đường dây tải điện bị sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét thì sẽ sinh ra các điện áp là:
Điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét.
Điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ.
Nếu các điện áp này đủ lớn thì sẽ gây ra phóng điện sét trên cách điện làm cắt điện trên đường dây.
Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét (ta xét với pha B hoặc C vì hệ số ngẫu hợp của 2 pha này nhỏ hơn pha của pha A).
(3-17)
Trong đó Kvq: hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang.
a: độ dốc dòng điện sét.
l: khoảng vượt của đường dây.
Từ đó ta có thể tính được xác suất phóng điện và tính các giá trị Npđ và npđ.
Trong thiết kế và thi công đường dây, thường chọn khoảng cách giữa các dây đủ lớn để tránh chạm dây nên khả năng xảy ra phóng điện trong trường hợp này ít xảy ra và dù có xảy ra thì xác suất hình thành hồ quang cũng rất nhỏ. Vì vậy suất cắt trong trương hợp này có thể bỏ qua.
Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên chuỗi sứ.
Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét là:
(3-18)
Trong đó: Ulv là điện áp làm việc. (3-19)
Uc(t): điện áp tại đỉnh cột.
(3-20)
Với dạng sóng xiên góc xét với thời gian thì:
(3-21)
Ta có: Rc là điện trở nối đất cột điện .
Lc: điện cảm thân cột với .
()
Kvq: hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hưởng của vầng quang pha B(C) với dây chống sét
Thay vào công thức 3-21 ta có:
Theo 3-19 thì:
Ta thấy Ucđ(t) = f(a,t). Vì vây ta cần kiểm tra với nhiều giá trị a, t như sau
a = 10, 20, 30, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100(kA/).
t = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ().
Ta có bảng sau:
Bảng 3- 2: Giá trị Ucđ(a,t) tác dụng lên chuỗi sứ
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
180,82
247,24
313,66
380,08
446,5
512,92
579,34
645,76
712,18
778,6
1
242,32
370,24
498,16
626,08
754
881,92
1009,84
1137,76
1265,68
1393,6
2
303,82
493,24
682,66
872,08
1061,5
1250,92
1440,34
1629,76
1819,18
2008,6
3
365,32
616,24
867,16
1118,08
1369
1619,92
1870,84
2121,76
2372,68
2623,6
4
426,82
739,24
1051,66
1364,08
1676,5
1988,92
2301,34
2613,76
2926,18
3238,6
5
488,32
862,24
1236,16
1610,08
1984
2357,92
2731,84
3105,76
3479,68
3853,6
6
549,82
985,24
1420,66
1856,08
2291,5
2726,92
3162,34
3597,76
4033,18
4468,6
7
611,32
1108,24
1605,16
2102,08
2599
3095,92
3592,84
4089,76
4586,68
5083,6
8
672,82
1231,24
1789,66
2348,08
2906,5
3464,92
4023,34
4581,76
5140,18
5698,6
611,32
611,32
611,32
611,32
611,32
611,32
611,32
611,32
611,32
611,32
9
734,32
1354,24
1974,16
2594,08
3214
3833,92
4453,84
5073,76
5693,68
6313,6
672,82
672,82
672,82
672,82
672,82
672,82
672,82
672,82
672,82
672,82
10
795,82
1477,24
2158,66
2840,08
3521,5
4202,92
4884,34
5565,76
6247,18
6928,6
Đồng thời ta cũng có bảng đặc tính V-S của chuỗi sứ như sau:
Bảng 3-3: Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ,
t
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U
2010
1740
1580
1440
1360
1220
1180
1180
1180
1180
1180
Dựa vào bảng 3.2 và 3.3 ta vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Ucđ(t) và đặc tính phi tuyến V-S của chuỗi sứ
,
Hình 3-5: Đồ thị Ucđ(a,t).
Từ đồ thị này ta xác định được các cặp thông số (Ii,ai) là giao của đường cong Ucđ(t) và đặc tuyến V-S,Dựa vào các cặp thông số này ta xác định được đường cong nguy hiểm I=f(a) từ đó xác định được miền nguy hiểm và xác suất phóng điện ,
(3-23)
(3-24)
(3-22) (3-25)
(3-26)
Ta có bảng sau:
Bảng 3-4: Đặc tính xác suấtt phóng điện .
Thông qua các kết quả tính toán cho ở bảng 3,4 ta có:
Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét,
(lần/100km,năm)
c) Tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột.
Để đơn giản và dễ tính toán ta giả thiết sét chỉ đánh vào đỉnh cột điện, khi đó phần lớn dòng điện sét sẽ đi vào nối đất cột điện, phần nhỏ còn lại sẽ đi theo dây chống sét vào các bộ phận nối đất của các cột lân cận như hình vẽ,
Hình 3-6: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét,
Trong trường hợp này ta phải tính toán suất cắt cho pha có quá điện áp đặt lên cách điện lớn nhất Ucđ(t) max,Do đó ta phải tiến hành tính toán điện áp đặt lên cách điện đối với từng pha,
Ucđ(t) được xác định theo công thức sau:
(3-27)
Theo công thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột bao gồm,
Thành phần điện áp giáng trên cột,
(3-28)
Thành phần điện áp cảm ứng từ xuất hiện do hỗ cảm của dây dẫn và kênh sét gây ra,
(3-29)
(3-30)
Với: hdd là độ cao của dây dẫn
H = hc + hdd,
,
: hệ số vận tốc của dòng điện sét được lấy = 0,3,
v = ,c với c là vận tốc truyền sóng c = 300m/,
Khi tính toán với dạng sóng xiên góc is= a,t ta có thể tính theo công thức sau:
(3-31)
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích của dòng điện sét,
(3-32)
Trong đó: a là độ dốc đầu sóng của sóng xiên góc,
K: hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hưởng của vầng quang,
Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trên dây chống sét gây ra,
(3-33)
Với: (3-34)
Thành phần điện áp làm việc,
(3-35)
Ta lần lượt đi tính các thành phần đối với các pha,Để tính được các thành phần điện áp ta cần phải tính được dòng điện đi vào cột ic(t) và thành phần biến thiên dòng điện theo thời gian ,Khi tính toán dòng điện này ta có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét trong hai trường hợp như sau:
+ Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về ,
Hình 3-7: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi chưa có sóng phản xạ.
Trong đó là điện cảm của cột,
Rc: điện trở nối đất cột điện,
Zcs: tổng trở sóng dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang,
Từ sơ đồ ta tính được:
(3-36)
(3-37)
(3-38)
+ Khi có sóng phẩn xạ từ cột lân cận về ,
Hình 3-8: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi có sóng phản xạ,
Với: Lcs là điện cảm của một khoảng vượt của dây chống sét,
(3-39)
Ta có (3-40)
(3-41)
(3-42)
Điện áp đặt lên cách điện pha A,
Để so sánh Ucđ(a,t) ta sẽ tiến hành so sánh với 1 giá trị cụ thể như sau:
a= 10kA/; t = 3
Ta có các thông số đối với pha A như sau.
Từ các thông số trên ta tính được các giá trị của các thành phần điện áp như sau.
()
Ở thời gian này có sóng phản xạ từ cột lân cận về do đó điện áp đặt lên cách điện được tính theo sơ đồ hình 3-9.
()
()
Thành phần điện áp giáng trên cột.
()
Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét.
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét.
Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trong dây chống sét gây ra.
Thành phần điện áp làm việc.
Vây điện áp tác dụng lên cách điện pha A.
Điện áp tác dụng lên cách điện pha B hoặc C.
Tính toán tương tự pha A ta có:
Điện áp tác dụng lên cách điện pha B.
Kết luận.
Vậy pha A có Ucđ(t) lớn hơn nên ta sẽ tiếp tục tính toán điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ trong trường hợp tổng quát là với pha A.
Tính toán quá điện áp đặt lên chuỗi sứ Ucđ(a,t).
Để tính được Ucđ(a,t) ta cần phải tính các thành phần điện áp như sau:
Thành phần điện áp làm việc:
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét.
Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng sau:
Bảng 3-5: Giá trị .
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-25,654
-51,308
-76,963
-102,617
-128,271
-153,925
-179,579
-205,233
-230,888
-256,542
0,5
90,780
181,561
272,341
363,121
453,902
544,682
635,463
726,243
817,023
907,804
1
139,626
279,252
418,879
558,505
698,131
837,757
977,383
1117,009
1256,636
1396,262
1,5
171,832
343,664
515,497
687,329
859,161
1030,993
1202,825
1374,658
1546,490
1718,322
2
195,962
391,923
587,885
783,847
979,808
1175,770
1371,731
1567,693
1763,655
1959,616
2,1
200,144
400,288
600,432
800,575
1000,719
1200,863
1401,007
1601,151
1801,295
2001,439
3
231,392
462,784
694,176
925,568
1156,959
1388,351
1619,743
1851,135
2082,527
2313,919
4
257,324
514,648
771,972
1029,296
1286,620
1543,944
1801,268
2058,592
2315,916
2573,240
5
277,794
555,587
833,381
1111,174
1388,968
1666,762
1944,555
2222,349
2500,143
2777,936
6
294,708
589,416
884,124
1178,832
1473,540
1768,248
2062,956
2357,665
2652,373
2947,081
7
309,122
618,244
927,366
1236,488
1545,610
1854,732
2163,854
2472,976
2782,098
3091,220
8
321,681
643,362
965,042
1286,723
1608,404
1930,085
2251,766
2573,447
2895,127
3216,808
9
332,808
665,616
998,424
1331,232
1664,040
1996,849
2329,657
2662,465
2995,273
3328,081
10
342,797
685,594
1028,391
1371,189
1713,986
2056,783
2399,580
2742,377
3085,174
3427,972
Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét.
Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng.
Bảng 3-6: Giá trị ,
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
16,159
32,318
48,477
64,636
80,795
96,954
113,113
129,272
145,431
161,590
0,5
32,931
65,862
98,794
131,725
164,656
197,587
230,519
263,450
296,381
329,312
1
44,885
89,769
134,654
179,539
224,423
269,308
314,192
359,077
403,962
448,846
1,5
54,179
108,358
162,537
216,716
270,895
325,073
379,252
433,431
487,610
541,789
2
61,785
123,569
185,354
247,138
308,923
370,707
432,492
494,276
556,061
617,845
2,1
63,153
126,307
189,460
252,613
315,766
378,920
442,073
505,226
568,380
631,533
3
73,802
147,604
221,407
295,209
369,011
442,813
516,615
590,417
664,220
738,022
4
83,135
166,270
249,405
332,541
415,676
498,811
581,946
665,081
748,216
831,352
5
90,767
181,533
272,300
363,067
453,833
544,600
635,366
726,133
816,900
907,666
6
97,222
194,445
291,667
388,889
486,112
583,334
680,556
777,779
875,001
972,223
7
102,817
205,633
308,450
411,267
514,083
616,900
719,717
822,534
925,350
1028,167
8
107,753
215,505
323,258
431,011
538,764
646,516
754,269
862,022
969,774
1077,527
9
112,169
224,338
336,507
448,677
560,846
673,015
785,184
897,353
1009,522
1121,692
10
116,165
232,330
348,495
464,660
580,825
696,990
813,156
929,321
1045,486
1161,651
Thành phần điện áp giáng trên cột.
Để tính được phần này ta cần tính trong hai trường hợp.
+ Khi chưa có sóng phản xạ về ()
()
+ Khi có sóng phản xạ về ()
Kết quả tính toán cho ở bảng:
Bảng 3-7: Giá trị .
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-0,907
-1,815
-2,722
-3,629
-4,537
-5,444
-6,351
-7,259
-8,166
-9,074
0,5
3,579
7,158
10,736
14,315
17,894
21,473
25,052
28,631
32,209
35,788
1
8,125
16,249
24,374
32,498
40,623
48,748
56,872
64,997
73,122
81,246
1,5
12,697
25,394
38,091
50,787
63,484
76,181
88,878
101,575
114,272
126,969
2
17,284
34,568
51,852
69,137
86,421
103,705
120,989
138,273
155,557
172,842
2,1
18,203
36,406
54,609
72,812
91,014
109,217
127,420
145,623
163,826
182,029
Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,1
18,161
36,323
54,484
72,646
90,807
108,968
127,130
145,291
163,453
181,614
3
25,249
50,498
75,747
100,997
126,246
151,495
176,744
201,993
227,242
252,491
4
32,717
65,433
98,150
130,867
163,583
196,300
229,017
261,733
294,450
327,167
5
39,788
79,576
119,364
159,152
198,940
238,729
278,517
318,305
358,093
397,881
6
46,491
92,981
139,472
185,963
232,454
278,944
325,435
371,926
418,416
464,907
7
52,848
105,695
158,543
211,391
264,239
317,086
369,934
422,782
475,630
528,477
8
58,880
117,759
176,639
235,519
294,398
353,278
412,158
471,037
529,917
588,797
9
64,605
129,210
193,815
258,420
323,025
387,630
452,235
516,840
581,445
646,049
10
70,041
140,081
210,122
280,162
350,203
420,243
490,284
560,324
630,365
700,406
Bảng 3-8: Giá trị .
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-0,907
-1,815
-2,722
-3,629
-4,537
-5,444
-6,351
-7,259
-8,166
-9,074
0,5
3,579
7,158
10,736
14,315
17,894
21,473
25,052
28,631
32,209
35,788
1
8,125
16,249
24,374
32,498
40,623
48,748
56,872
64,997
73,122
81,246
1,5
12,697
25,394
38,091
50,787
63,484
76,181
88,878
101,575
114,272
126,969
2
17,284
34,568
51,852
69,137
86,421
103,705
120,989
138,273
155,557
172,842
2,1
18,203
36,406
54,609
72,812
91,014
109,217
127,420
145,623
163,826
182,029
Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,1
8,190
16,380
24,570
32,761
40,951
49,141
57,331
65,521
73,711
81,902
3
7,793
15,586
23,379
31,173
38,966
46,759
54,552
62,345
70,138
77,931
4
7,385
14,770
22,155
29,540
36,925
44,310
51,695
59,080
66,465
73,850
5
7,005
14,010
21,014
28,019
35,024
42,029
49,033
56,038
63,043
70,048
6
6,648
13,297
19,945
26,593
33,241
39,890
46,538
53,186
59,834
66,483
7
6,313
12,625
18,938
25,251
31,564
37,876
44,189
50,502
56,815
63,127
8
5,996
11,992
17,989
23,985
29,981
35,977
41,973
47,969
53,966
59,962
9
5,697
11,394
17,091
22,788
28,485
34,182
39,879
45,576
51,273
56,970
10
5,414
10,828
16,242
21,656
27,069
32,483
37,897
43,311
48,725
54,139
Vậy thành phần điện áp giáng lên cột:
Kết quả tính toán cho ở bảng:
Bảng 3-9: Giá trị,
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-28,309
-56,619
-84,928
-113,238
-141,547
-169,856
-198,166
-226,475
-254,785
-283,094
0,5
111,659
223,319
334,978
446,638
558,297
669,957
781,616
893,275
1004,935
1116,594
1
253,488
506,976
760,464
1013,952
1267,440
1520,928
1774,416
2027,904
2281,392
2534,880
1,5
396,142
792,285
1188,427
1584,569
1980,712
2376,854
2772,996
3169,139
3565,281
3961,423
2
539,266
1078,531
1617,797
2157,062
2696,328
3235,594
3774,859
4314,125
4853,391
5392,656
2,1
567,930
1135,861
1703,791
2271,721
2839,651
3407,582
3975,512
4543,442
5111,372
5679,303
Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,1
405,102
810,204
1215,306
1620,407
2025,509
2430,611
2835,713
3240,815
3645,917
4051,018
3
504,986
1009,971
1514,957
2019,942
2524,928
3029,913
3534,899
4039,884
4544,870
5049,855
4
610,387
1220,774
1831,161
2441,548
3051,935
3662,322
4272,710
4883,097
5493,484
6103,871
5
710,299
1420,597
2130,896
2841,195
3551,494
4261,792
4972,091
5682,390
6392,688
7102,987
6
805,063
1610,126
2415,188
3220,251
4025,314
4830,377
5635,439
6440,502
7245,565
8050,628
7
894,983
1789,965
2684,948
3579,931
4474,913
5369,896
6264,879
7159,861
8054,844
8949,827
8
980,333
1960,666
2940,999
3921,332
4901,665
5881,998
6862,331
7842,664
8822,997
9803,330
9
1061,366
2122,731
3184,097
4245,462
5306,828
6368,193
7429,559
8490,925
9552,290
10613,656
10
1138,313
2276,627
3414,940
4553,254
5691,567
6829,880
7968,194
9106,507
10244,821
11383,134
Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trên dây chống sét gây ra.
Tương tự tính được ic(a,t) và như ở thành phần điện áp giáng trên thân cột.
Kết quả tính toán với các giá trị (a,t):
Bảng 3-10: Giá trị.
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-2,708
-5,416
-8,124
-10,832
-13,539
-16,247
-18,955
-21,663
-24,371
-27,079
0,5
-43,292
-86,585
-129,877
-173,170
-216,462
-259,755
-303,047
-346,339
-389,632
-432,924
1
-81,377
-162,754
-244,131
-325,508
-406,885
-488,262
-569,639
-651,016
-732,393
-813,770
1,5
-118,352
-236,703
-355,055
-473,406
-591,758
-710,110
-828,461
-946,813
-1065,164
-1183,516
2
-154,696
-309,392
-464,088
-618,783
-773,479
-928,175
-1082,871
-1237,567
-1392,263
-1546,958
2,1
-161,911
-323,822
-485,733
-647,644
-809,555
-971,466
-1133,377
-1295,288
-1457,199
-1619,109
Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,1
-123,646
-247,293
-342,491
-437,690
-532,889
-628,088
-723,287
-818,486
-913,685
-970,711
3
-150,770
-301,539
-420,211
-538,882
-657,554
-776,226
-894,897
-1013,569
-1132,240
-1205,437
4
-178,650
-357,299
-500,740
-644,181
-787,622
-931,063
-1074,504
-1217,945
-1361,386
-1453,131
5
-204,625
-409,250
-576,170
-743,091
-910,011
-1076,931
-1243,851
-1410,771
-1577,692
-1687,923
6
-228,980
-457,959
-647,149
-836,339
-1025,529
-1214,718
-1403,908
-1593,098
-1782,288
-1910,619
7
-251,901
-503,802
-714,123
-924,444
-1134,765
-1345,086
-1555,407
-1765,728
-1976,049
-2121,930
8
-273,527
-547,054
-777,432
-1007,811
-1238,189
-1468,567
-1698,945
-1929,324
-2159,702
-2322,504
9
-293,966
-587,931
-837,352
-1086,773
-1336,194
-1585,615
-1835,036
-2084,457
-2333,878
-2512,930
10
-313,306
-626,612
-894,115
-1161,619
-1429,123
-1696,626
-1964,130
-2231,634
-2499,137
-2693,758
Từ các thành phần điện áp ta tính được Ucđ(a,t).
Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng
Bảng 3-11: Giá trị .
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-40,512
-81,025
-121,537
-162,050
-202,562
-243,075
-283,587
-324,099
-364,612
-405,124
0,5
192,079
384,157
576,236
768,314
960,393
1152,472
1344,550
1536,629
1728,707
1920,786
1
356,622
713,244
1069,865
1426,487
1783,109
2139,731
2496,353
2852,975
3209,596
3566,218
1,5
503,802
1007,604
1511,406
2015,207
2519,009
3022,811
3526,613
4030,415
4534,217
5038,018
2
642,316
1284,632
1926,948
2569,264
3211,580
3853,896
4496,211
5138,527
5780,843
6423,159
2,1
669,316
1338,633
2007,949
2677,266
3346,582
4015,899
4685,215
5354,532
6023,848
6693,165
Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận trở về
a
t
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,1
-123,646
-247,293
-342,491
-437,690
-532,889
-628,088
-723,287
-818,486
-913,685
-970,711
3
-150,770
-301,539
-420,211
-538,882
-657,554
-776,226
-894,897
-1013,569
-1132,240
-1205,437
4
-178,650
-357,299
-500,740
-644,181
-787,622
-931,063
-1074,504
-1217,945
-1361,386
-1453,131
5
-204,625
-409,250
-576,170
-743,091
-910,011
-1076,931
-1243,851
-1410,771
-1577,692
-1687,923
6
-228,980
-457,959
-647,149
-836,339
-1025,529
-1214,718
-1403,908
-1593,098
-1782,288
-1910,619
7
-251,901
-503,802
-714,123
-924,444
-1134,765
-1345,086
-1555,407
-1765,728
-1976,049
-2121,930
8
-273,527
-547,054
-777,432
-1007,811
-1238,189
-1468,567
-1698,945
-1929,324
-2159,702
-2322,504
9
-293,966
-587,931
-837,352
-1086,773
-1336,194
-1585,615
-1835,036
-2084,457
-2333,878
-2512,930
10
-313,306
-626,612
-894,115
-1161,619
-1429,123
-1696,626
-1964,130
-2231,634
-2499,137
-2693,758
Ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Ucđ(t) và đặc tính phi tuyến V–S của chuỗi sứ.
Hình 3-9: Đồ thị Ucđ(a,t)
Từ đồ thị này ta xác định được các cặp thông số (Ii,ai) là giao của đường cong Ucđ(a,t) và đặc tuyến V – S. Dựa vào các cặp thông số này ta xác định được đường cong nguy hiểm I = f(a) từ đó xác định được miền nguy hiểm và xác suất phóng điện Vpđ.
Bảng 3-12: Đặc tính xác suất phóng điện .
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
8,65
2,5
1,4
1
0,8
0,7
0,6
0,5
0,45
0,4
86,5
50
42
40
40
42
42
40
40,5
40
0,036
0,1472
0,20004
0,21598
0,21598
0,20004
0,20004
0,21598
0,21188
0,21591
0,399
0,1596
0,06378
0,02548
0,01018
0,00406
0.00162
0,00064
0,00025
0,0001
0,239
0,0958
0,03829
0,01530
0,00611
0,00244
0,00097
0,00039
0,00015
0,00010
0,008
0,014
0,00766
0,00330
0,0013
0,00048
0,00019
8,42E-05
3,3E-05
2,24E-05
Vậy: Suất cắt điện của đường dây
khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét.
(lần/100km.năm).
Suất cắt tổng cộng do sét đánh vào đường dây.
Suất cắt điện do sét đánh vào đường dây. (lần/100km.năm)
Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện. (năm/1lần cắt điện).
CHƯƠNG 4. BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM BIẾN ÁP TỪ PHÍA ĐƯỜNG DÂY 220 KV
4.1 Khái niệm chung.
Bảo vệ chống sét đối với trạm biến áp có yêu cầu rất cao vì trong trạm có những thiết bị quan trọng như máy biến áp, máy cắt… mà cách điện của các thiết bị này lại yếu hơn so với cách điện của đường dây. Trước tiên, phóng điện trên cách điện tương đương với việc ngắn mạch thanh góp và ngay cả khi có phương tiện hiện đại cũng vẫn đưa đến sự cố trầm trọng nhất trong hệ thống. Ngoài ra mặc dù trong kết cấu cách điện của thiết bị thường cố gắng sao cho mức cách điện trong mạch cao hơn mức cách điện ngoài, nhưng trong vận hành do quá trình già cỗi của cách điện trong mạch hơn nhiều nên sự phối hợp có thể bị phá hoại và dưới tách dụng của quá điện áp có thể xẩy ra chọc thủng điện môi mà không chỉ là phóng điện men theo bề mặt của cách điện ngoài. Tuy không đạt mức an toàn tuyệt đối nhưng khi tính toán chọn các biện pháp chống sét phải cố gắng giảm xắc suất sự cố tới giới hạn thấp nhất và “chỉ tiêu chịu sét của trạm ’’ số năm vận hành an toàn không có suất hiện điện áp nguy hiểm đối với cách điện của trạm phải đạt mức hàng trăm năm.
Nội dung của bảo vệ chống sét trạm biến áp bao gồm bảo vệ chống sét đánh thẳng bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây vào trạm. Bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm đựơc thực hiện bằng cột thu lôi như đã trình bầy ở chương I. Trong phạm vi chương này sẽ dành riêng để nghiên cứu về chống sét truyền từ đường dây vào trạm,Mức cách điện xung kích của trạm được chọn theo trị số điện áp dư của chống sét van và có chiều hướng ngày càng giảm thấp do chất lượng của loại thiết bị này ngày càng được nâng cao. Bởi vậy mức cách điện của trạm không phụ thuộc vào mức cách điện đường dây mà còn thấp hơn nhiều. Quá điện áp do sét đánh thẳng vào dây chống sét gây phóng điện ngược tới dây dẫn hoặc dưới hình thức cảm ứng khi có sét đánh gần đường dây sẽ lan truyền từ nơi bị sét đánh vào trạm biến áp. Trong quá trình đó, nếu còn giữ trị số quá điện áp lớn hơn mức cách điện xung kích đường dây thì sẽ có phóng điện xuống đất, nghĩa là biên độ của quá điện áp được giảm dần tới mức điện áp xung kích đường dây (U50%).
.
4.2. Phương pháp tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm.
Việc tính toán quá điện áp do sóng truyền vào trạm có thể được thực hiện trên các mô hình hoặc được tính toán trực tiếp dựa vào quy tắc sóng đẳng trị. Dùng phương pháp mô hình thì có thể cho phép xác định được đường cong nguy hiểm đối với bất kỳ trạm có kết cấu phức tạp ở mức độ nào. Nó giải quyết được vấn đề bảo vệ một cách chính xác, nhanh chóng,Phương pháp tính toán trực tiếp phức tạp hơn phương pháp mô hình và chỉ được dùng khi trạm có kết cấu đơn giản. Cơ sở của phương pháp tính toán trực tiếp là lập sơ đồ thay thế và dựa trên quy tắc sóng đẳng trị và phương pháp lập bảng của các sóng tới để lần lượt tính toán trị số điện áp tai các điểm nút chính.
Sóng truyền vào trạm trên những khoảng cách không lớn giữa các nút, có thể coi quá trình truyền sóng là quá trình biến dạng. Vì sóng không biến dạng và truyền đi với vận tốc không đổi v trên đường dây nên nếu có sóng tới từ nút m nào đó tới nút x, tại m sóng có dạng Umx(t) thì khi sóng tới x sóng có dạng:
U’mx(t)=Umx(t-Dt)
Với Dt=l/v:
l: Khoảng cách từ nút m tới nút x
v: Vận tốc truyền sóng
Hình 4-1: Quá trình truyền sóng giữa hai nút.
Từ đây ta thấy rằng sóng tới điểm x có biên độ bằng biên độ sóng tới tại điểm m nhưng chậm sau so với điểm m một khoảng thời gian là Dt.
Việc xác định sóng phản xạ và khúc xạ tại một nút rễ ràng giải được nhờ quy tắc Pê-tec-xen, và nguyên lý sóng đẳng trị,
Theo quy tắc Pê- tec-xen một sóng truyền trên đường dây có tổng trở sóng Zmđến một tổng trở tập trung Zx ở cuối thì sóng phản xạ và khúc xạ được tính nhờ sơ đồ tương đương với thông số tập trung như ở hình vẽ (4- 2).
Hình 4-2: Sơ đồ tương đương của quy tắc Petersen.
Với sơ đồ này sóng khúc xạ Ux được tính như điện áp trên phần tử Zx còn sóng phản xạ : U’mx=Ux-Ut
Trong đó: Ut : Sóng tới,
1. Nếu Zm và Zx là các thông số tuyến tính, Ut là hàm thời gian có ảnh phức hoặc toán tử có thể tìm Ux bằng phương pháp phức hoặc phương pháp toán tử.
2. Trường hợp nút x có nhiều đường dây đi đến thì có thể lập sơ đồ Pê-tec-xen dưạ trên quy tắc sóng đẳng trị.
¨Quy tắc sóng đẳng trị :
Khi có nhiều phần tử (đường dây, các tham số tập trung R, L, C nối vào cùng một điểm như trên hình(4- 3) các phần tử này có tổng trở sóng là Z1, Z2,…, Zn và dọc theo chúng có các dạng sóng bất kỳ U1x, U2x,…, Unx truyền về phía điểm nút x.
Giả thiết là giữa các phần tử này không có phát sinh hỗ cảm và quy ước chiều dòng điện đi về phía điểm nút x là chiều dương thì ta có phương trình như sau :
Hình 4- 3: Sơ đồ nguyên lý sóng đẳng trị
Ux=U1x+Ux1=…=Umx+Uxm
Với :Umx=Zm.imx
Uxm=Zm.ixm
Từ đó ta có:
Chia hai vế phương trình này chota sẽ được :
Ux=2.Uđt-ix.Zđt
Với :
Ux : Điện áp nút x.
Ix : Dòng điện đi trong phần tử Zx.
Zđt=Z1//Z2//Z3//…Zn
Từ các biểu thước trên ta có thể rút ra được quy tắc Pê-tec-xen. Để tính toán trị số điện áp và dòng điện ở nút ta có thể thay thế các tham số phân bố bằng các tham số tập trung tạo thành mạch vòng bao gồm tổng trở Zđt và Zxghép nối tiếp với nguồn e(t)=2.Uđt có trị số bằng tổng các sóng khúc xạ tại điểm nút với giả thiết Zx=¥. Sơ đồ thay thế trên hình (4- 4)
: Hệ số khúc xạ tại điểm x của sóng truyền từ mạch Zm.
3. Xác định điện áp trên Zx khi nó là điện dung:
Hình 4- 4: Sơ đồ Pê-tec-xen.
Khi tổng trở Zx chỉ có tụ điện với điện dung C thì phương trình điện áp được viết như sau 2.Uđt(t)=UC(t)+Zđt.iC(t) (*)
Trong đó :
UC(t): Điện áp trên tụ điện C.
iC(t) : Dòng điện đi qua tụ điện C.
Zđt : Tổng trở sóng đẳng trị của n đường dây tới nút x.
Nên : Q=UC.C
Mà : dq=iC.dt
Do đó :
Thay vào công thức (*)ta có :
(**)
Từ công thức (**) ta rút ra được dạng sai phân :
Với TC=C.Zdt khi TC>>Dt thì :
Từ đây rút ra ta được:
UC(t+Dt)=UC(t)+ DUC
Với điều kiện đầu là UC(0)=0
4. Xác định điện áp và dòng điên trong chống sét van.
Đặc tính –chọn loại chống sét van :
Việc tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm chính là việc tính toán để chọn chống sét van.
Chống sét van được phân làm hai loại : chống sét van có khe hở và chống sét van không khe hở. Ta chọn loại chống sét van không khe hở để bảo vệ chống sóng truyền vào trạm., Bởi vì loại này có nhiều ưu điểm hơn chống van có khe hở, loại chống sét van kiểu mới mà điện trở được làm từ ZnO chì ôxit kẽm không khe hở, hệ số phi tuyến của ZnOchỉ bằng 1/10 so với của SiC (loại có khe hở).
Xét đặc tính của chống sét van (V-A) được viết dưới dạng : U=K.Ia
Hình 4- 5: Đặc tính V – A của chống sét van.
Khi cho a các giá trị khác nhau :
Miền II ứng với miền làm việc của chống sét van (có dòng điện I³1kA)thì điện áp dư của loại chống sét van có điện trở phi tuyến làm bằng ZnO, thấp hơn loại chống sét van có điện trở làm bằng ZnO sẽ có độ an toàn cao hơn, ngoài ra nó còn đem lại hiệu quả kinh tế do làm giảm thấp mức cách điện xung kích trong trạm.
Miền I ứng với khi không có quá điện áp, dòng điện rò trên điện trở gốc ZnO rất bé so với dòng điện rò trên điện trở gốc SiC và bé đến mức có thể nối thẳng loại điện trở này vào lưới điện mà không đòi hỏi phải cách ly bằng khe hở như chống sét van cổ điển (dùng điện trở gốc SiC).Bởi vậy loại này không có khe hở, việc không dùng khe hở chẳng những làm đơn giản hóa cấu trúc của thiết bị bảo vệ, thu gọn kích thước, .., mà còn loại được dập hồ quang của dòng điện kế tục trên khe hở này, một vấn đề phức tạp trong sản xuất, chế tạo cũng như thử nghiệm về khả năng dập hồ quang.
Trạm cao áp phía 220 kV sử dụng chống sét van không khe hở có điện trở phi tuyến là ZnO.
Từ sơ đồ Pê-tec-xen Hình(4- 7) ta có phương trình điện áp sau :
2.Uđt=Zđt.iCSV+K.IaCSV
4.3. Tính toán khi có sóng quá điện áp truyền vào trạm
Hình 4-6: Sơ đồ nguyên lí của trạm
Vậy trạng thái vận hành nguy hiểm nhất là trạng thái vận hành 1 đường dây và 1 máy biến áp
Hình 4-7: Sơ đồ nguyên lí của trạm trong trạng thái vận hành nguy hiểm nhất
Hình 4-8: Sơ đồ thay thế rút gọn
Trong sơ đồ điện dung có giá trị như sau : (Theo bảng 4 –1 tài liệu hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp của tác giả Nguyễn Minh Chước)
+ Máy biến áp : CMBA = 1500 pF
+ Dao cách ly : CDCL = 70 pF
+ Máy biến áp đo lường : CBU = 350 pF
+ Máy cắt : CMC = 600 pF
+ Thanh góp : CTG = CTG0,l
CTG0 =
l = 192 m : Chiều dài thanh góp
CTG = 8,33, 192 = 1599.36 ( pF )
Trong sơ đồ sau khi qui đổi ta có điện dung tập chung tại các nút nhận các giá trị như sau :
C1= C2 = = C3 = C4 =
Tính thời gian truyền sóng giữa các nút.
Sóng truyền tới trạm là dạng sóng xiên góc, xuất hiện trên đường dây truyền vào trạm với biên độ lớn U50%=1140(kV) và độ dốc đầu sóng là a=300(kV/ms).
Vậy ta có thời gian đầu sóng là :
300.t (kV) khi t£3,8 (ms)
U01=
1140 (kV) khi t>3,8 (ms)
Vậy ta có:
Thời gian sóng đi hết quãng đường 1- 2 là:
t12 =
Thời gian sóng đi hết quãng đường 2- 3 là:
Thời gian sóng đi hết (hoặc về )quóng đường 2- 4 là:
Chọn gốc thời gian tại nút một là t=0 (ms) và bước thời gian tính Dt=0,01(ms).
Tính điện áp giữa các nút:
* Nút 1.
Là nút có hai đường dây đi với tổng trở sóng Z = 400 ().Tổng trở tập trung là điện dung C1.
Hình 4-9: Sơ đồ Peterson tại nút 1.
Ta có sóng phản xạ từ nút 1 về nút 2 là U12: U12 = U1 - U’21
Là sóng tới nút 1; U21 là sóng phản xạ từ nút 2 về nút 1 ; U’21 là sóng tới nút 1 do sóng phản xạ U21 đi từ nút 2,Xét với gốc thời gian của nút 1, Ta có U’21 chậm sau U21 một khoảng thời gian t = 2.t12 = 0,2 (s), Còn U21 theo quy ước lấy gốc thời gian, ở đây không cần tính sóng phản xạ U10
Ta có
Zdt = = = 200 ()
Hệ số khúc xạ tai điểm 1 : = = = 1
2.Udt = = U’01 + U’21
U’01 : Sóng từ đường dây tới nút 1.
U’21 : Sóng tới từ nút 2 truyền về nút 1.
Do tổng trở tập trung tai nút 1 là điện dung C1 = 493,33 (pF), Nên theo phương pháp tiếp tuyến ta có thời gian nạp của mạch:
(s).
Với
Biểu thức trên cho ta tính liên tiếp các giá trị của
Khi s thì Nên
Khi s thì Nên
* Nút 2.
Là nút có ba đường dây đi tới với tổng trở sóng Z = 400 (), Tổng trở tập trung là điện dung C2.
Hình 4-10: Sơ đồ Peterson tại nút 2.
Sau khi tính đối với nút 1 trong khoảng t < t12 thì phải bắt đầu xét nút 2, Tại nút 2 có ba đường dây nối với điện dung do đó ta áp dụng phương pháp tiếp tuyến,ở đây sơ đồ Peterson có:
Zdt = = = 133,33 ().
= = 0,667
Trong công thức trên U’m2 là các sóng tới 2 do các sóng phản xạ từ 1, 3 và 4 truyền về, Khi thời gian (tương đối với nút 2):
Khi s thì và s thì
Do đó : với
Bước đầu đó có U’12 trong khoảng thời gian (tương đối đối với nút 2)
Biết 2.Udt, Zdt và C2 tính được điện áp nút 2 theo phương pháp tiếp tuyến.
Ta có :
(s).
Biểu thức trên cho ta tính liên tiếp các giá trị của U2(t)
Điện áp phản xạ tại nút 2: U21 = U2 - U’12
U23 = U2 - U’32
U24 = U2 - U’42
Sau khi tính được U2 trong khoảng thời gian t = 2.t12 cần trở về tính điện áp nút 1.
* Nút 3.
Là nút có một đường dây đi tới với tổng trở sóng Z = 400 (), Tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét van, do đó cần tính bằng phương pháp đồ thị.
Hình 4-11: Sơ đồ Peterson tại nút 3.
Trong sơ đồ trên Zdt nối với chống sét van không khe hở Zno lắp song song với điện dung tập trung tại nút 3 là C = 1685 pF.
Ta có: Zdt = Z = 400 ()
=
Ta có U’23 là sóng tới từ nút 2: U’23 = U2 – U’32
U32 = U3 – U’23
U’32 = U32(t – 2.t23)
Khi s thì Nên
Theo phương pháp tiếp tuyến ta có:
(s).
* Nút 4.
Là nút có một đường dây đi tới với tổng trở sóng Z = 400, Tổng trở tập trung là điện trở phi tuyến của chống sét van, do đó cần tính bằng phương pháp đồ thị.
Hình 4-12: Sơ đồ Peterson tại nút 4.
Trong sơ đồ trên Zđt nối với chống sét van không khe hở ZnO lắp song song với điện dung tập trung tại nút 4 là C = 373,33 (pF)
Ucsv = K.Icsv Trong đó : K = 373,5 và
Ucsv + I.Zdt = 2.U’24 = 2.Udt
Ta có U’24 là sóng tới từ nút 2: U24 = U2 – U’42
U42 = U4 – U’24
U’24 = U24(t – 2.t24)
Ta tính ngay được U4 trong khoảng này bằng phương pháp đồ thị(dựa vào Udt, Zdt và đặc tính V – S, V – A của chống sét van).
Quá trình tính toán được lặp đi lặp lại giữa các nút 4và 2.
Đặc tính chịu đựng của máy biến áp 220kV.
Tra trong giáo trình kỹ thuật điện cao áp ta có đặc tính cách điện của máy biến áp theo điện áp chịu đựng cực đại.
Uđm=220kV
Umax=1000kV
Bảng 4-1: Điện áp chịu đựng của máy biến áp theo thời gian
Đặc tính cách điện của thanh góp
Đặc tính cách điện của thanh góp chính là đặc tính phóng điện của chuỗi sứ
Bảng 4- 2: Đặc tính V-S của thanh góp.
Dựa vào phương trình điện áp nút đã lập ta có bảng tính giá trị điện áp trính bầy trong phần phụ lục. Từ bảng này ta vẽ được đồ thị:
Hình 4-13: Đồ thị điện áp tại các nút.
4.4. Nhận xét.
Điện áp tại cac nút luôn nằm dưới đường đặc tính V-S của thanh góp và điện áp chịu đựng của máy biến áp.Vậy trạm được bảo vệ an toàn.
Việc tính toán quá điện áp do sóng truyền từ đường dây vào trạm dùng phương pháp tính toán trực tiếp phức tạp chỉ được dùng khi trạm có kết cấu đơn giản. Tính bảo vệ chống sóng truyền vào trạm có khối lượng tính toán lớn do tham số của sóng từ đường dây vào trạm rất khác nhau (phụ thuộc vào dòng điện sét, kết cấu đường dây và vị trí sét đánh). Thực tế người ta sử dụng phương pháp đo đạc trực tiếp hay trên mô hình máy tính điện tử. Với những trạm đơn giản người ta có thể tính toán bằng phương pháp lập bảng. Do đó kết quả tính toán thường không chính xác.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin người ta có thể áp dụng rộng rãi các chương trình để nghiên cứu quá trình quá độ trong hệ thống điện một cách đơn giản với độ chính xác cao.
4.5. Tính toán sóng quá điện áp truyền vào trạm bằng ATP.
ATP (Alternative Transients Program) là chương trình nghiên cứu quá trình quá độ trong hệ thống điện bằng cách mô phỏng gần đúng các phần tử trong hệ thống.
Do đó ATP được sử dụng rộng rải trong quá trình nghiên cứu quá điện áp chẳng hạn quá trình tính toán sóng truyền vào trạm biến áp khi có sét đánh trên đường dây gần trạm.
Trong chương này ta tính toán điện áp tại các nút trong nhiều trường hợp khác nhau:
Khi có sét đánh tại nhiều điểm khác nhau trên đường dây cũng như với dòng điện sét có tham số thay đổi.
Trạm có đặt chống sét van tại đầu đường dây vào trạm.
Chống sét van chỉ được đặt trước máy biến áp.
Đoạn đường dây vào trạm đặt 1 dây chống sét và đặt 2 dây chống sét.
Mô phỏng cột.
Trong quá trình mô phỏng tùy thuộc vào cấp điện áp và từng địa hình khác nhau lại sử dụng loại cột khác nhau do đó khó có thể đưa ra một mô hình chung cho cột. Để đơn giản hóa trong chương này ta xét mô hình cột như sau.
Hình 4-14: Mô hình mô phỏng cột.
Trong mô hình trên cột được chia làm các đoạn nhỏ với chiều dài khác nhau tương ứng (r1, r2, r3,…….), Mỗi đoạn cột được thay thế bằng tổng trở sóng ZTi nối tiếp với điện trở, điện cảm của vật liệu làm cột Ri, Li như hình vẽ trên,Và Rc là điện trở nối đất cột.
Với cột điện của đường dây 220 kV như hình vẽ ta chia làm 3 đoạn có chiều dài lần lượt: Đọan 1 dài 6m, đoạn 2 dài 6m và đọan 3 dài 15m,Cả 3 đoạn đều được thay thế bằng mô hình lineZ-1 pha với các thông số:
R / L : Điện trở trên một đơn vị chiều dài [W/m].
Z : Tổng trở sóng [W].
V : Vận tốc truyền sóng [m/s].
Và điện trở nối đất của cột điện thường lấy từ 10 đên 15 được thay thế bởi mô hình:
Trong đó RES: Giá trị của điện trở ()
b) Mô phỏng đường dây vào trạm:
Đường dây một mạch loại AC-300, và dây chống sét loại C-95 được thay thế bởi mô hình LCC sau đây:
Với các thông số kĩ thuật được khai báo trong bảng sau.
Trong đó:
Ph.no: Kí hiệu pha.
Rin : Bán kính trong của dây dẫn.
Rout : Bán kính ngoài của dây dẫn.
Resis : Điện trở một chiều của dây dẫn.
Horiz : Khoảng cách theo phương ngang đến cột.
Vtower: Chiều cao cột.
Vmid : Chiều cao dây dẫn tại vị trí thấp nhất.
Separ : Khoảng cách giữa các dây trong cùng một pha.
Alpha : Góc tạo bởi dây dẫn và trục ngang ( theo chiều ngược kim đồng hồ).
NB : Số lượng dây dẫn trong pha.
Trạm 220kV sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng loại ACO 700/86 được thay thế bởi mô hình LCC:
Mô phỏng nguồn điện:
Nguồn sóng sét:
Nguồn sóng sét được thay thế bằng mô hình Heiler:
Trong đó:
Amp: Giá trị cực đại của nguồn dòng [A] hoặc nguồn áp [V].
T_f : Thời gian đầu sóng [sec],Khoảng thời gian tính từ thời điểm t=0 tới thời điểm biên độ sóng sét đạt cực đại.
Tau: Khoảng thời gian [sec] tính từ thời điểm t= 0 tới thời điểm biên độ sóng sét đạt 37% giá trị cực đại.
n : Hệ số tỷ lệ.
Tsta: Thời gian bắt đầu [sec.],Nhận giá trị 0 nếu T<Tsta.
Tsto: Thời gian kết thúc [sec],Nhận giá trị 0 nếu T>Tsto.
Hệ thống điện:
Hệ thống điện nối với trạm biến áp được thay thế bởi nguồn xoay chiều 3 pha AC type 14
Trong đó giá trị cực đại của nguồn áp Amp:
Mô phỏng máy cắt:
T-cl_1: Thời gian đóng của máy cắt [s].
T-op_1: Thời gian cắt của máy cắt [s].
Mô phỏng chống sét van:
Chống sét van không khe hở oxit kẽm được mô phỏng bằng phần tử MOV như sau:
Với các thông số:
Trong đó:
Vref: Điện áp chuẩn, thường xấp xỉ điện áp danh định của chống sét van.
Vflash: Điện áp phóng điện của khe hở phóng điện.
Vzero: Điện áp tại thời điểm ban đầu.
COL: Số phân đoạn của đường đặc tính V-A.
SER: Số phần tử nối tiếp trong nhánh.
ErrLim: Sai số cho phép của trương trình.
f) Mô phỏng các phần tử khác trong trạm:
Máy biến áp, máy biến điện áp và dao cách ly được thay thế bằng các tụ điện, mô phỏng bằng mô hình RLC3.
g) Mô hình thay thế trạm biến áp 220kV:
Hình 4-15: Sơ đồ mô phỏng trạm biến áp.
4.6. Kết quả tính toán bằng ATP.
Với dòng điện sét có biên độ 100 kA và điểm sét đánh cách trạm bằng 3 khoảng vượt của đường dây (3x320km):
Hình 4-16: Dạng dòng điện sét.
a)Khi không đặt chống sét van tại đầu đường dây vào trạm:
Đường dây vào trạm được bảo vệ bằng 1 dây chống sét và có điện trở nối đất của cột điện là 10().
a: Điện áp tại đầu cực MBA b: Điện áp giáng tại đỉnh cột.
Hình 4-17.
Nhận xét: Khi sét đánh vào đường dây gần trạm biến áp làm điện áp tại đầu cực MBA tăng vượt quá giới hạn cách điện của tram(900kV), Vậy ta cần đặt thêm chống sét van để bảo vệ cách điện của các thiết bị trong trạm.
Khi đặt chống sét van tại đầu đường dây vào trạm:
Hình 4-18: Sơ đồ mô phỏng Trạm biến áp.
Hình 4-19: Điện áp tại đầu cực MBA.
Nhận xét: Do đặt chống sét van tại đầu đường dây vào trạm nên hạn chế được biên độ của sóng quá điện áp truyền vào trạm nhưng vẫn chưa bảo vệ được các thiết bị trong trạm, Nên ta tăng cường bảo vệ chống sóng quá điện áp cho trạm.
c) Khi đoạn đường dây vào trạm treo 2 dây chống sét:
Sét đánh vào dây dân trong đoạn đường dây gần trạm cũng nguy hiểm như sét đánh trực tiếp vào phần dẫn điện của trạm, Do đó đọan đường dây gần tới trạm được tăng cường bảo vệ bằng dây chống sét và giảm điện trở nối đất.
Do đó trên đoạn đường dây gần trạm ta sử dụng 2 dây chống sét với góc bảo vệ nhỏ.
Hình 4-20: Điện áp tại đầu cực MBA.
d) Khi đặt chống sét van gần máy biến áp của trạm:
Trong nhiều trường hợp khi khoảng cách từ MBA đến CSV tại đầu đường dây vào trạm xa ta phải đặt thêm 1 CSV thứ 2 gần MBA.
Hình 4-21 Sơ đồ mô phỏng trạm biến áp.
Hình 4-22: Điện áp tại đầu cực MBA.
Nhận xét: Khi đặt thêm chống sét van gần máy biến áp thì biên độ điện áp tại đầu cực máy biến áp giảm đi đáng kể và bảo vệ được cho cách điện máy biến áp không bị phá hỏng.
Vậy trạm biến áp với mặt bằng được thiết kế như trong phần trước cần được đặt chống sét van bảo vệ chống sóng truyền tại đầu đường dây vào trạm và tại gần máy biến áp do khoảng cách từ máy biến áp đến đường dây là khá lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TS. Trần Văn Tớp, Kỹ thuật điện cao áp, Quá điện áp và bảo vệ chống quá điện áp; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
2. TS. Nguyễn Minh Chước, Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp. Bộ môn Hệ thống điện, trường đại học Bách khoa Hà Nội, 2002.
2. Vũ Viết Đạn, Giáo trình kỹ thuật điện cao áp. Bộ môn Hệ thống điện, trường đại học Bách khoa Hà Nội.
4. Nguyễn Đình Thắng, Vật liệu kỹ thuật điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2005
5. GS. TS. Lã Văn Út, Ngắn mạch trong hệ thống điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2005.
6. TS. Đào Quang Thạc, TS. Phạm Văn Hòa, Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2005.
7. PGS. TS. Trần Bách, Lưới điện & Hệ thống điện (tập 3), Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2005.
8. J.W.Woo, J.S.Kwak, H.J.Ju, H.H.Lee, J.D.Moon, The Analysis Results of Lightning Overvoltages by EPTM for Lightning Protection Design of 500 kV Substation; Presented at the International Conference on Power Systems Transisents (ICPST’05) in Montreal, Canada on June 19-23, 2005, Pager No, IPST05 -111.
9. ATP Rule book – XIX.I- ZnO FITTER to punch Type 92 ZnO branch cards.
10. ATP Rule book – V.E- Exponential ZnO surge arrester R(i)..
11. Pinceti, P, Giannettoni, M; A simplified model for zinc oxide surge arresters; Power Delivery, IEEE Transactions on Volume 14, Issue 2, Apr 1999 Page(s):393 – 398.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- bk0157_4401.doc