Tài liệu Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp chương 2 ppt

Khi đờng dây bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sétlớn tới mức làm cho quá điện áp xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kíchcủa cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch đờng

ơng2:

tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây

Đờng dây trong HTĐ làm nhiệm vụ truyền tải điện năng đến các hộ dùng

điện Đờng dây là phần tử phải hứng chịu nhiều phóng điện sét nhất so với cácphần tử khác trong HTĐ Khi đờng dây bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sétlớn tới mức làm cho quá điện áp xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kíchcủa cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch đờng dây, buộc máy cắt

đầu đờng dây phải tác động Nh vậy việc cung cấp điện bị gián đoạn Nếu điện

áp nhỏ hơn trị số phóng điện xung kích của cách điện đờng dây thì sóng sét sẽtruyền từ đờng dây vào trạm biến áp và sẽ dẫn tới các sự cố trầm trọng tại trạmbiến áp Vì vậy bảo vệ chống sét cho đờng dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tếkết hợp với yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu cung cấp điện của đờng dây đó

2.1- lý thuyết tính toán.

2.1.1- Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét.

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét đợc thể hiện nh ( hình 2-1 )

Chiều dài của phạm vi bảo vệ dọc theo chiều dài đờng dây nh hình (2– 2 ).

Hình 2-2: Góc bảo vệ của một dây chống sét.

Có thể tính toán đợc trị số giới hạn của góc  là  = 310 , nhng trong thực tếthờng lấy khoảng  = 20 0  250

2.1.2- Xác suất phóng điện sét và số lần cắt điện do sét đánh vào đ ờng dây.

Với độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét )

là h, đờng dây sẽ thu hút về phía mình các phóng điện của sét trên dải đất cóchiều rộng là 6h và chiều dài bằng chiều dài đờng dây (l) Từ số lần phóng điệnsét xuống đất trên diện tích 1 km2 ứng với một ngày sét là 0,10,15 ta có thểtính đợc tổng số lần có sét đánh thẳng vào đờng dây (dây dẫn hoặc dây chốngsét)

N=(0,60,9) h 10) h 10-3.l.nng.s (2 – 3)Trong đó:

+ h: độ cao trung bình của dây dẫn hoặc dây chống sét (m)

+ l: chiều dài đờng dây (km )

+ nng s:số ngày sét /năm trong khu vực có đờng dây đi qua

Vì các tham số của phóng điện sét : biên độ dòng điện (Is) và độ dốc củadòng điện (a = dis /dt), có thể có nhiều trị số khác nhau, do đó không phải tất cảcác lần có sét đánh lên đờng dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện Chỉ cóphóng điện trên cách điện của đờng dây nếu quá điện áp khí quyển có trị số lớnhơn mức cách điện xung kích của đờng dây Khả năng phóng điện đợc biểu thịbởi xác suất phóng điện ( Vp đ ) Số lần xảy ra phóng điện sẽ là:

Npđ = N Vpđ = ( 0,60,9) h 10 ) h 10-3 l nng s Vpđ ( 2 – 4 ) Trang 8

Vì thời gian tác dụng lên quá điện áp khí quyển rất ngắn khoảng 100 s màthời gian của các bảo vệ rơle thờng không bé quá một nửa chu kỳ tần số côngnghiệp tức là khoảng 0,01s Do đó không phải cứ có phóng điện trên cách điện là

đờng dây bị cắt ra Đờng dây chỉ bị cắt ra khi tia lửa phóng điện xung kích trêncách điện trở thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của đờng dây đó Xác suất hình thành hồ quang ( ) phụ thuộc vào Gradien của điện áp làmviệc dọc theo đờng phóng điện :

 = (Elv) ; Elv = Ulv/lpđ (kV/m )

Trong đó:

+ : xác suất hình thành hồ quang

+ Ulv: điện áp làm việc của đờng dây ( kV )

+ lpđ: chiều dài phóng điện ( m)

Do đó số lần cắt điện do sét của đờng dây là:

Ncđ = Npđ  = (0,60,9) h 10) h nng s vpđ  (2 – 5)

Để so sánh khả năng chịu sét của đờng dây có các tham số khác nhau, đi quacác vùng có cờng độ hoạt động của sét khác nhau ngời ta tính trị số " suất cắt đ-ờng dây" tức là số lần cắt do sét khi đờng dây có chiều dài 100km

ncđ = ( 0,060,09) h 10) h nng s Vpđ . (2 – 6)

Đờng dây bị tác dụng của sét bởi ba nguyên nhân sau:

+ Sét đánh thẳng vào đỉnh cột hoặc dây chống sét lân cận đỉnh cột

+ Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

+ sét đánh vào khoảng dây chống sét ở giữa khoảng cột

Cũng có khi sét đánh xuống mặt đất gần đờng dây gây quá điện áp cảm ứngtrên đờng dây, nhng trờng hợp này không nguy hiểm bằng ba trờng hợp trên Khi

đờng dây bị sét đánh trực tiếp sẽ phải chịu đựng toàn bộ năng lợng của phóng

điện sét, do vậy sẽ tính toán dây chống sét cho đờng dây với ba trờng hợp trên.Cuối cùng ta có số lần cắt do sét của đờng dây

ncđ = nc + nkv + ndd ( 2 – 7) Trong đó:

+ nc : số lần cắt do sét đánh vào đỉnh cột

+nkv: số lần cắt do sét đánh vào khoảng vợt

+ ndd: số lần cắt do sét đánh vào dây dẫn

2.1.2.1 - Các số liệu chuẩn bị cho tính toán.

Đờng dây tính toán l = 150km (Ninh Bình – Hà Đông)

Xà đỡ kiểu cây thông, lắp trên cột bê tông đơn

Dây dẫn đợc treo bởi chuỗi sứ - 4,5 gồm 7 bát sứ, mỗi bát sứ cao170mm.Dây chống sét dùng dây thép C-70 có d = 11mm ; r = 5,5mm.

Dây dẫn dùng dây AC-120mm có d = 19) h 10mm; r = 9) h 10,5mm

Khoảng vợt là 150m

2.1.2.2 - Xác định độ treo cao trung bình của dây chống sét và dây dẫn

Độ treo cao trung bình của dây đợc xác định theo công thức:

hdd = h – 2/3f (2 – 8) Trong đó:

+ h: độ cao của dây tại đỉnh cột hay tại khoá néo của chuỗi sứ

+ f: độ võng của dây chống sét hay dây dẫn

fdd =  l2/ 8 σ (2 – 9) h 10)  = p/s =49) h 102/120 1000 = 0,0041

(p : khối lợng 1km dây AC- 120 ,p=49) h 102 Kg/Km ; s: tiết diện dây AC-120, s= 120 mm2.)

σ : hệ số cơ của đờng dây ở nhiệt độ trung bình , σ = 7,25

2.1.2.3- Tổng trở sóng của dây chống sét và dây dẫn.

 = 1,3 ( tra bảng 3-3 sách hớng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp)

Hình 2-4: Phép chiếu g ơng qua mặt đất

) (

+ h2: độ cao trung bình của dây chống sét

+ D12: khoảng cách giữa dây pha và ảnh của dây chống sét

+ d12: khoảng cách giữa dây chống sét và dây pha

+ h1: độ cao trung bình của dây dẫn pha

Theo kết quả tính trớc ta có:

hddA = 10,8m ; hddB = hddC = 7,8m ; hddcs = 15,2m

áp dụng định lý Pitago ta có khoảng cách từ dây chống sét đến các dây pha

và từ dây pha đến ảnh của dây chống sét nh hình ( 2 – 5)

Với pha A:

m , , , )

IA ( ) ID

(

d12  2  2  4 22  1 52  4 46

D'K

BC

) IE ( ) IA (

D12  2  2  1 52  242  24 046

Với pha B,C:

m , ,

, )

IB ( ) ID (

d12 2  2  7 22  1 752  7 41

m , ,

) IE ( ) IB (

D12  2  2  1 752  182  18 08

Hệ số ngẫu hợp giữa pha A và dây chống sét : áp dụng công thức (2 – 11):

Trang 12

019768

10 5 5

2 15 2

46 4

5 24

3

,

,

, ln ,

, ln



Khi có vầng quang: KA-csvq = KA-cs  = 1,3 0,19) h 10768 = 0,257

Hệ số ngẫu hợp pha B (hoặc pha C )với dây chống sét:

1 0 10 5 5

2 15 2 41 7

08 18

3

,

,

, ln ,

, ln K

0 2 4

5 1

, ,

,

,

0 66 13 243

0 2 7

75 1

, ,

,

, tg

2.1.2.6- Số lần sét đánh vào đ ờng dây.

áp dụng công thức (2-4) với l = 100km ; hddcs = 15,2 m ; nng.s= 70ngày/ năm ;mật độ sét = 0,15 Ta có:

N = 0,15 6 15,2 70 100 10-3 = 9) h 106 lần/ 100km năm

Từ cơ sở lý thuyết và các kết quả trên ta tiến hành tính toán suất cắt cho đờngdây với ba khả năng đã nêu đối với đờng 110kV

qua dây chống sét vào dây dẫn.

Đờng dây có U ≥ 110kV đợc bảo vệ bằng dây chống sét, tuy vậy vẫn cónhững trờng hợp sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn Tuy xác suất nàynhỏ nhng vẫn đợc xác định bởi công thức sau:

4 9) h 100

h V

lg   cs  (2-15)

Trong đó:

: góc bảo vệ của dây chống sét ( độ)

hcs : chiều cao cột đỡ dây chống sét ( m)

Khi dây dẫn bị sét đánh, dòng trên dây dẫn là IS/4, vì mạch của khe sét sẽ đợcnối với tổng trở sóng của dây dẫn có trị số nh hình (2 – 6 )

Hình (2 – 6): Dòng điện sét khi sét đánh vào dây dẫn.

Có thể coi dây dẫn hai phía ghép song song và Zdd = (400500)  nên dòng

điện sét giảm đi nhiều so với khi sét đánh vào nơi có nối đất tốt Ta có dòng điệnsét ở nơi đánh là:

I Z Z

Z I

dd

2 2 0

e

s

% 50 s

Z 1 26 U 4 1,

N: tổng số lần phóng điện sét của 100 km đờng dây đã đợc xác định tại mục2.1.4 là: 9) h 106 lần / 100km năm.

V: Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn đợc xác định theo( 2 – 12)

Xác suất hình thành hồ quang  phụ thuộc vào gradien của điện áp làm việcdọc theo đờng phóng điện ( Elv):

) 17 2(

) m / kV

+ lpđ: Chiều dài đờng phóng điện lấy bằng chiều dài chuỗi sứ ( m )

+ Ulv: Điện áp pha của đờng dây

) m / kV ( , ,

2 1 3

U E

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

và pha C để tính suất cắt cho đờng dây

Pha A có A = 19) h 10,65 0; hddA = 10,8m

ZddA = 463,75  ; hcs= 16,2m

Thay các số liệu trên vào công thức ( 2 – 12 ) ta có:

3 10 756 0 12

3 4 90

2 16 65

75 463 1 26 660 4 1

26

4 1 26

50

, e

e e

Z

, U ,

I

s

% s

= 9) h 106 lần / 100km năm

Trang 16

Vậy Nkv = 9) h 106 / 2 = 48 lần / 100km năm.

Trong 48 lần sét đánh vào khoảng vợt thì xác suất hình thành hồ quang khiphóng điện đã đợc xác định tại mục  2.2  bằng phơng pháp nội suy trên hình(2-7) đợc  = 0,63 Suất cắt của đờng dây 110kV do sét đánh vào khoảng vợt nhsau:

nkv = Nkv Vpđ  (2 – 20)

Để tính Vpđ ta phải xác định xác suất phóng điện trên cách điện của đờngdây

2.3.1- Ph ơng pháp xác định Vpđ.

Ta coi dòng điện sét có dạng xiên gócvới biên độ Is = a t

Quá điện áp sét xuất hiện trên cách điện của đờng dây gồm hai thành phần:

lv cd

+ Ulv : điện áp làm việc của đờng dây

Xác suất các dòng điện sét có biên độ I  Is và độ dốc a  as là:

) ,

a ,

I ( a

,

I

s s

đựng cho phép của cách điện, lấy theo đặc tính vôn – giây (V- S) của chuỗi sứ,thì phóng điện sẽ xảy ra:

i pd lv i i cd i

cd

t.

a I

) t U U ) a

; I (

U ) t

U

( 2 – 23)

Upđ(ti) điện áp phóng điện lấy theo đặc tính vôn giây ( V – S ) tại ti

Do coi dòng điện có dạng I = a t thì thành phần Ucđ' (I,a) tỷ lệ với độ dốc a

ai  pd i  lv (2 – 26)

Z là hằng số đối với I và a nên có thể tính đợc:

a

U ) t ( U

Z  pd i  lv (2 – 27)

Từ ( 2 – 26 ) và ( 2 – 27 ) ta có:

) t ( U

U ) t ( U

a

i cd

lv i pd

Ia

Hình (2 – 8): Đ ờng cong nguy hiểm

Xác suất phóng điện đợc tính theo xác suất xuất hiện ở miền bên phải phíatrên đờng cong nguy hiểm ở hình (2 – 8)

Từ đờng cong nguy hiểm ta có thể xác định đợc:

i i

e V

; e V

a I

Trang 18

( 2 –

28 )

( 2 – 29) h 10 )

ds s

t nếu

a

t nếu t a I

Ta sẽ tính toán Is ứng với các giá trị trong bảng (2 – 1) sau đây:

c c

dt

t a d L R

2

2 2

Trong đó:

+ Rc: điện trở nối đất cột

+ Lc: điện trở thân cột tính theo chiều cao vị trí dây chống sét

, U

U dt t sin U U

lv

lv

17 57 3

2 110 14 3 2

3

2 2

3

2 1 0

Kvq: hệ số ngẫu hợp của dây dẫn pha với dây chống sét có kể đến ảnh hởngcủa vầng quang.

Điện áp đặt trên chuỗi cách điện là tổng đại số của Udd và Ucs:

“h-13 0 257

100 1161 19) h 1004 2647 339) h 100 4133 4876 5619) h 10 6362 7105 7848

Từ các giá trị trên ta vẽ đờng Ucđ = f(t) và a, trên hình vẽ còn thể hiện đờng

đặc tính (V- S) của chuỗi cách điện

Đờng đặc tính vôn – giây (V – S) của chuỗi cách điện sẽ cắt các hàm Ucđ =f(a; t; Rc) tại các vị trí mà từ đó ta có thời gian xảy ra phóng điện trên chuỗi sứ

Từ các giá trị trên ta vẽ đợc đờng f(t) và a, trên hình vẽ này còn thể hiện đờng

đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện Ta có đồ thị hình (2 – 11)

Từ đồ thị hình (2 – 10 ) ta có:

ti = 0,53; 0,61; 0,73; 0,88; 1,13; 1,42; 1,9) h 105; 2,9) h 10; 4,88; 11,9) h 10

Tại thời điểm phóng điện ti tơng ứng các độ dốc đầu sóng ai ta có trị số sétnguy hiểm: Ii = ai ti , từ cặp số của (I ; a) ta vẽ đợc đờng cong thông số nguyhiểm hình (2 – 10)

10 20 30 40 50 60 70 80 9) h 100

a (kA/s)

Hình(2 –10): Đờng cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vợt.

Trong hình 2-11 dới đây ta lu ý các điểm sau :

- Xác suất phóng điện Vpđ là xác suất mà tại đó có các cặp thông số (Ii;ai)thuộc miền nguy hiểm

( a ; ) N

P

- Các cặp số (Ii ; ai) nằm trong miền giới hạn nguy hiểm thì sẽ xảy ra phóng

điện Do đó xác suất phóng điện trên cách điện chính là xác suất để cho cặp số(Ii ; ai) thuộc miền nguy hiểm

dVpđ = P (a  ai) P (I  Ii ) ( 2 – 33 )Trong đó:

+ P(I  Ii ): là xác suất để cho dòng điện I lớn hơn giá trị dòng điện Ii nào đó.+ P(a  ai): là xác suất để cho độ dốc a lớn hơn giá trị ai nào đó để gây raphóng điện

Miền nguy hiểm

Hình 2–11: Điện áp đặt lên cách điện của đờng dây khi sét đánh vào

khoảng vợt U cđ (a,t) với R c = 20  và đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện U pđ (t)

+ P(a  ai) = P( ai – da ≤a≤ ai + da ) = dVa

i ,

Thay vào biểu thức ( 2 – 34 ) đợc:

i i

e V

; e V

a=10kA/s

a=40kA/s a=50kA/s a=60kA/s a=70kA/s a=80kA/s

2.3.3- Tính suất cắt tổng do sét đánh vào khoảng v ợt đ ờng dây tải điện 110kV.

Suất cắt do sét đánh vào khoảng vợt đợc xác định theo công thức:

Điện áp trên cách điện của đờng dây khi sét đánh vào đỉnh cột có treo dâychống sét là:

lv cs

d cu is dd iC

dd c c c

dt

d ) t ( M dt

d L R i

)

t

(

Trong biểu thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện gồm:

+ Thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng sét

đi trong cột gây ra:

dt

d L R

ic c ddc ic

+Thành phần điện của điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do hỗ cảm

( 2 – 36)

d ) t (

U



+Thành phần điện áp do dòng điện đi trong dây chống sét gây ra, k là hệ

số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét : kUcs

+Điện áp làm việc trung bình của đờng dây : Ulv

Dấu trừ (-) thể hiện điện áp này ngợc dấu với thành phần điện áp khác trongcông thức (2 – 36).Vì vậy thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện khi

có thể dựa vào sơ đồ tơng đơng của mạch dẫn dòng điện sét Ta chia làm hai ờng hợp:

tr-a/ Tr ờng hợp 1: Khi cha có sóng phản xạ từ cột bên trở về:

Z

dt

di t

Trong sơ đồ dòng sét đợc coi nh một nguồn dòng, còn thành phần từ của điện

h H ).

1 (

H t v ln h 2 , 0 ) t

(

M

cs cs

h r

H 2 ln h 2 , 0 L

dd td

dd

dd

Khi tính cho dây chống sét ta chỉ việc thay hdd bởi hcs

rtd: Bán kính tơng đơng của dây tiếp địa từ cột xuống cọc nối đất chính là dâydẫn dòng sét trong thân cột

Từ sơ đồ thay thế dây chống sét đợc biểu thị bởi tổng trở sóng của dây chốngsét, có xét đến ảnh hởng của vầng quang Từ sơ đồ hình ( 2 – 13 ) ta viết hệ ph-

a i i i

(*)

Z i ) t ( M a dt

di L R

.

i

s cs c

vq cs s cs

c cs c c

2

0 2

vq cs cs

vq cs vq cs c

Z ) ( M t Z Z

a )

(

i (2 – 39) h 10 )

c

vq cs

vq cs c

cs c c

vq cs

R Z

Z a dt

di

L

R Z

2

2

2 1

tb cs cs

r

h ln

60

 (2 – 40 )Trong đó:

2

3 2

ds

r

f h

h

cs

cs cs

Trờng hợp này tính chính xác phải áp dụng phơng pháp đặc tính, ở đây để

đơn giản ta tính gần đúng tức là có thể thay dây chống sét bằng điện cảm tậptrung nối tiếp với điện trở của đất của hai cột bên cạnh nh hình ( 2 – 14 )

M cs( ) s2ics

Rc

cs c

Hình 2–14: Sơ đồ tơng đơng mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ tới

Lcs : là điện cảm của một khoảng vợt dây chống sét khong kể đến ảnh hởngcủa vầng quang

c

i Z

R

) t ( M L a dt di

) ( )

e (

R

) t ( M L a ) t ( i

t.

cs cs c

t.

cs cs c

43 2 2

2

42 2 1

2 2

2 2

cs L L

R 2

2 2

     

H t V h t V h t V ln a h , ) t

(

1

1 0

o cu

d

cu

h

h K 1 ).

Độ dốc của dòng sét a = (dic/dt) có thể coi là một hằng số đối với mỗi dòng

điện sét Do đó để tính thành phần từ của điện áp cảm ứng ta phải xác định

Mdd(t)

) ( h

H ln h

h H ).

(

H t v ln h , )

t

(

M

dd dd

2 1

Từ đây ta có xác suất phóng điện là:

) 47 2 ( V

V

Xác định Vpđ :

Để xác định Vpđ ta phải xác định điện áp đặt trên chuỗi cách điện khi sét

đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột

Rc = 20

Lcdd = Lo.hdd = 0,6.12 = 7,2H với Lo là điện cảm đơn vị dài thân cột

v = .c = 0,3.300 = 9) h 100 m/s là vận tốc phóng điện ngợc của dòng điện sét(theo sách hớng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp ta có  = 0,3 ; c là vận tốc ánhsáng c = 300m/s)

Ulv vận tốc trung bình của đờng dây

kV ,

.

3

110 2 2





