Bài giảng kỹ thuật điện cao áp chương 4 truyền sóng quá điệniện áp

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠ ƯƠNG : TRUYỀN SÓNG QUÁ ĐIỆN IỆN ÁP TRÊN CÁC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 4.1.Khái niệm 4.2 Truyền sóng hệ thống nhiều dây dẫn 4.3.Phản xạ khúc xạ sóng 4.4.Truyền sóng mạch dao động ộng 4.5 Xác định điện áp tạI đIểm Iểm nút phương ph pháp đồ thị Nguyên tắc sóng đẳng trị 4.6 ảnh hưởng ởng vầng quang xung kích truyền sóng 3/31/2014 Page Sóng điện áp đường dây tải điện iện Quá điện áp khí sét gây nên tác dụng lên cách điện của đường dây trạm biến áp Sóng điện áp lan truyền dọc theo đường dây xuất sét đánh thẳng vào đường dây sét đánh xuống mặt đất gần đường dây gây iện phải dựa tính tốn q trình truyền sóng Các biện pháp bảo vệ chống sét cho hệ thống điện đường dây Lan truyền sóng điện áp thao tác óng cắt mạch điện (ví dụ ta đóng đột ngột hai Sóng điện áp nội xuất đóng dây dẫn mà trước khơng thế) Sóng khơng sin lan truyền theo đường dây, khúc xạ, phản xạ từ nơi nối hai đường dây không tổng trở, nhiều đường dây nối với cái, từ cuối đường ờng dây hở mạch Lan truyền sóng q điện áp khí iểm sét đánh, sóng khúc xạ, phản xạ suy yếu Sóng q điện áp khí lan truyền từ điểm dần giống sóng điện áp nội đầu sóng dốc khoảng 1s 3/31/2014 Page MƠ HÌNH ĐƯỜNG ỜNG DÂY CHẾ ĐỘ BA PHA ĐỐI XỨNG Các đường dây tải điện cao áp hệ thống tham số phân bố, đại lượng vật lý điện trở, điện cảm điện dung phân bố dọc theo chiều dài đường dây không tập trung điểm Rdx i Gdx u abscisse x Ldx i i dx x Cdx u u dx x abscisse x+dx điện áp xuát đường dây xác định cách giải hệ phương trình vi phân      u(x ) i(x )  Ri(x )  L x t i(x ) u(x )  Gu(x )  C x t Giải hệ phương trình vi phân dạng tổng quát với bốn tham số phức tạp, không cần thiết 3/31/2014 Page Do đề xuất số giả thiết nhằm đơn n giản hố Xét q trình truyền sóng q điện áp (sét nội bơ), thời gian biến thiên ngắn bỏ qua  điện dẫn tác dụng dây dẫn tham số định tổn thất rò điện vầng quang (đường dây cao áp có mức cách điện cao nên rị điện bé nhỏ khơng đáng kể, trừ sóng điện áp có biên độ lớn làm xuất q trình phóng điện vầng quang làm cho tổn thất vầng quang tăng)  điện trở R dây dẫn gây tổn hao làm biến dạng sóng Khi có sét đánh vào dây dẫn, đường dây có điện áp đất nên dịng điện thứ tự thuận sóng truyền dọc theo dây dẫn dòng điện thứ tự ngược trở đất Do xem điện trở R bao gồm điện iện trở dây dẫn điện trở trở rđ, nghĩa bằng điện trở thứ tự không dây dẫn đường dây cao áp, điện trở thứ tự không phụ thuộc vào tiết diện dây dãn điện trở suất đất có giá trị 0,1 đến 0,4/km trạng thái sóng tốc độ biến thiên dịng điện theo thời gian lớn hiệu ứng mặt đất làm cho điện trở rđ tăng cao làm biến dạng sóng Tuy nhiên vùng đất xấu (điện trở suất đất lớn) độ dài truyền sóng lớn biến dạng đầu sóng đáng đ kể Thực tế thường gặp trường hợp truyền sóng ngắn nên khơng xét đến biến dạng sóng 3/31/2014 Page hệ phương trình vi phân truyền sóng đư xem khơng có tổn hao (R = et G=0)  i( x )   u( x )   x   L  t    i( x )   C  u ( x )   x t   2u ( x )  2u( x )  x   L t  2  i ( x )  i( x)    C  x t Nghiệm tổng quát hệ phương trình u ( x , t )  ut ( x  vt )  u px ( x  vt )  i ( x , t )  it ( x  vt )  i px ( x  vt ) Sãng tí i u t  x  vt Sóng phản xạ u px x vt Đ - ờng dây dài vô tận v i px   xvt   const 3/31/2014 Page u x px Zc it  ut Zc v xvt   const Nghiệm tổng quát biểu thị dạng tổng hai thành phần sóng tới di chuyển phía dương d trục x sóng phản xạ di chuyển theo chiều ngược ng lại u ( x , t )  ut ( x  vt )  u px ( x  vt ) y  x  vt z  x  vt u dut du px   x dy dz  2u d 2ut d u px   2 x dy dz 2 2  2u d ut d u px LC  LC   LC  t dy dz 2  u  u   LC x t LCv  Vận tốc truyền sóng 3/31/2014 Page  LC Trường hợp đường dây khơng có tổn hao i  u   L  t  x u ( x , t )  ut ( x  vt )  u px ( x  vt ) u dut du px   x dy dz u dut du px   x dy dz L i ( x , t )  it ( x  vt )  i px ( x  vt ) di i di  L t - L px t dy dz ut  i   t L  const  i  u px  const  px L Nếu đường dây dài vơ tận khơng có sóng phản xạ từ cuối đường dây hàm số ft(x-vt) định quy luật biến thiên nguồn theo thời gian Tốc độ truyền sóng dọc theo đường dây khơng có tổn hao  LC đường ờng dây khơng có trị số vận tốc ánh sáng Như Nh thời gian sóng truyền từ đầu đường dây đến cuối đường dây l/ Tổng trở sóng đường dây không tổn hao L  3/31/2014 Page L2  LC L Z C u px ( x  vt )  i ( x  t )   px Z  i ( x  t )  ut ( x  vt )  t Z TRUYỀN SÓNG TRONG HỆ THỐNG NHIỀU DÂY DẪN Nghiên cứu q trình truyền sóng đường tải điện gồm nhiều dây : môi dây dẫn bị ảnh hưởng điện từ trường lan truyền sóng dây Sử dụng phương trình Maxwell áp dụng cho hệ thống nhiều dây U 1n  11q1  12 q2   1n qn U   q   q    q  2n 21 22 2n n   U nn   n1q1   n q2    nn qn  U1n   11 12    U n    21  22       U    nn   n1  n 1n   q1      n   q2          nn   qn  2h k    ln  kk 2 rk  Ma trận  gọi ma trận hệ số ma trận đối b   ln pk xứng kj = jk  kp 2 d pk  3/31/2014 Page k dkp p rk hp hk bkp' hk hp k' p' Sóng lan truyền theo đường dây khơng tổn hao, ta xác định dạng sóng điện trường cách dịch chuyển tất điện tích cố định dọc theo dây dẫn với vận tốc            11 q1    12 q2     1n qn           U1n  11q1  12 q2   1n qn   Z11 I1  Z I   Z1n I n U 1n  Z11 I1  Z12 I   Z1n I n U  Z I  Z I   Z I  2n 21 22 2n n   U nn  Z n1 I1  Z n I   Z nn I n U  Z I  kk 2hk 2hk 2hk  Z   ln  ln  138.log ckk  12   2 rk 2 1.8.85.10 rk rk   bkp ' bkp ' Z   pk  ln bkp '  ln  138.log  ckp  2 d kp 2 1.8.85.10 12 d kp d kp Le système des équations a (n-1) 1) équations avec 2(n-1) 2(n variées donc il est résoluble dans les cas particuliers 3/31/2014 Page Trường hợp dây dẫn nối với nguồn Ví dụ đường dây khơng treo dây chống sét, sét đánh thẳng vào dây dẫn, điện áp xuất phóng điện ngược qua cách điện cảm ứng điện áp dây dẫn U  Z11 I1  Z12 I   Z1n I n U  Z I  Z I   Z I  21 22 2n n   U  Z n1 I1  Z n I   Z nn I n 3/31/2014 Page 10 U  U   U n  U I=? Trường hợp Z1< Z0 >Z2 Ví dụ : Z0=5Z1=10Z2 12  0,666  01   , 666 ;  02   , 818 Trong trường hợp này, hai hệ số 02, 01 ều mang dấu âm, nh tích chúng mang dấu dương nên số hạng UA UB mang dấu dương ng 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 UA(t ) 1.0 UB(t ) 0.8 0.6 0.4 0.2 t/ t/ điện áp UB điểm B đạt ạt giứo hạn theo bậc thang điện áp UA, có số hạng mang dấu dương, ng, số hạng lại mang dấu âm Khi sóng Up1 tới điểm A, điện áp UA ban đầu tăng đến đ 10Up1 (10Up1 > Up1 Z0 >Zc2 sau giảm dần theo nấc thang đến giá trị ổn đinh 3/31/2014 Page 33 Z0 lớn nhiều so với Zc1 Zc2, trường ờng hợp truyền sóng tương t tự có điện cảm nối tiếp hai đường dây ĐIỆN CẢM TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐOẠN OẠN DÂY ĐƯỢC XÁC ĐINH BỞI Ltd  Lo l  Z t    L   U B t   12 U p1  e ;     U A t   2.U p1.e L  3/31/2014 Page 34 Ltd Z1  Z  t L t t    12 U p1.e  C   e  L        Trường hợp Zc1< Z0 >Zc2 Zc1> Z0 >Zc2 hai trường hợp tổng trở Z0 có trị số nằm khoảng Z1 Z2 Một hai hệ số khúc xạ 02, 01 mang dấu âm điện áp UA UB chuỗi gồm số hạng có dấu thay đổi Z0=0.25Z1=4Z2 Z0=4Z1=0.25Z2 UA(t) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 3/31/2014 Page 35 UB(t ) 2.0 t/ 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 t/ Trong trường hợp giao động điện áp tắt dần nhanh Quá trình tắt dần xảy nhanh khác biệt tổng trở sóng lớn điện áp biến thiên theo thời gian, coi trường hợp truyền sóng mạch dao đơng Với Z1> Z0 >Z2, Z0 xem điện cảm đối ối với môi trường tr đường dây Z2 điện dung đường dây Z1 Ut1 Z1 a) B A Z2 Céq Page 36 Ltd B A 3/31/2014 Ut1 Ltd Z1 Z2 C éq b) NGUYÊN TẮC SÓNG ĐẲNG TRỊ Trong thực tế, thường xuuyên gặp trường hợp có nhiều đường dây nối vào điểm Các sóng dạng khác U1x, U2x, … Unx lan truyền dọc theo đường dây tổn trở sóng Z1, Z2, Zn nút x mà có tổng trở Zx Nếu tính đến ngẫu hợp đường dây coi hường dòng điện phía x mang dấu dương, ta viết phương trình sau U2x Umx Z2 Ux2 U1x U x  U1x  U x  U x  U x  U nx  U xn  n   i xm  imx   i  m 1 x Uxm imx  Zn Ux1 Zx Uxn Unx n Umx ; Zm Uxm Zm n n n     n Z m 1 Page 37 ixm   U mx U xm U mx ix   2 U x Z m m 1 Z m Zm m 1 m 1 Z td  3/31/2014 (m  1,2, , n)  Zm Z1 m m 1 // // // Z1 Z Zn n Z m 1 cm  n Utd  Z td U mx Z m 1 m  đ áp dòng điện điểm nút, thay đây suy nguyên tắc sóng đảng trị : để tính điện tham số phân bố tham số tập trung tạo thành sơ đồ gồm tổng trở Ztd Zx nối tiếp với nguồn e=2Utd Ztd x n 2U td Ux Zx  mx  Page 38  m 1 hệ số phản xạ sóng từ nút m truyền nút x 3/31/2014 e Z eq Z cm n  mxU mx  Z td U mx  2U td Z m 1 m  SÓNG TÁC DỤNG LÊN ĐIỆN IỆN TRỞ PHI TUYẾN ĐẶT Ở CUỐI ĐƯỜNG DÂY giả thiết sóng tới Ut(t) lan truyền dọc đường dây có tổng trở Z cuối đường dây có đặt điện trở phi tuyến dạng UR=f(IR) Ut(t) Z R IR UR 2Ut(t) Z R 2Up t   UR  ZIR Vì quan hệ điện áp - dòng điện UR=f(IR) phi tuyến nên điện áp nút X xác đinh đồ thị 3/31/2014 Page 39 UR u U p(t) U R + Z c I R 2' 1' Z c I R U R= f(t) ' U R = f ( I R ) 4' Ở PHẦN BÊN PHẢI t I vẽ đường cong điện áp - dòng điện UR=f(IR) (còn gọi đặc đ tính vơn - ampe hay đặc tính V-A) vẽ đường sụt áp tổng trở sóng đường dây ZcIR Sau ta xây dựng đương cong UR+ Zc.IR phần bên trái ta vẽ đường cong 2Ut(t) Vào thời điểm t1, tìm điểm đường 2U t(t) từ dóng sang ngang ta có điểm đường UR+ Zc.IR Từ điểm ta vạch đường thẳng đứng cắt đư UR=f(IR) điểm ứng với dòng điện IR điện áp UR điện trở R Sự thay đổi điện áp UR(t) xác định giao điểm đường nằm ngang kẻ từ điểm đường thẳng đứng kẻ từ điểm 3/31/2014 Page 40 SÓNG TÁC DỤNG LÊN CSV CÓ KHE HỞ ĐẶT Ở CUỐI ĐƯỜNG DÂY giả thiết sóng tới Ut(t) lan truyền dọc đường dây có tổng trở Z cuối đường dây có đặt điện trở phi tuyến dạng UR=f(IR) Ut(t) u 2Up(t) Z UR+Zc.IR 2' 1' KH Zc.IR UR=f(t) R UR 3' UR.=f(IR) 4' t Nếu điện áp chống sét van nhỏ điện áp phóng điện nó, khe hở phóng điện cách ly điện trở phi tuyến tuyến Có thể xem đường dây hở mạch IR UCSV = 2Up(t) Khi điện áp chống sét van đạt trị số điện áp phóng điện, điện trở phi tuyến nối vào mạng điện điện áp UR xác định phươ ương pháp hồn tồn giơng trình bày mục 3/31/2014 Page 41 SÓNG TÁC DỤNG LÊN ĐIỆN IỆN DUNG ĐẶT Ở CUỐI ĐƯỜNG DÂY PHƯƠNG NG PHÁP TIẾP TUYẾN khi sóng tới Up(t) lan truyền dọc đường dây có chiều dài l tổng trở sóng Zc cuối đường dây có đặt điện dung l U p(t) Zc I Zc 2Ut(t) UCo C U Co UC C UC iện đến điện áp UC0 Giả thiết ban đầu tụ điện nạp điện CZ dU C dU C 1  U C  2U t (t )   U C  2U t (t ) dt dt T T T=CZc số thời gian Nếu biết biến thiên theo thời gian sóng tới Ut(t), ta vẽ đường cong 2Ut(t) 3/31/2014 Page 42 xác định điện áp Uc(t) hệ toạ độ thứ hai bị lệch so với hệ toạ độ thứ khoảng thời gian T u u 2Ut(t) 2Ut(t)-2Upx(t) B UC (t) UCo A C t1 t2 t3 t4 t t2 t t3 t4 t5 T t t1 t2 tt3 t4 =2l/v =2l/v chia trục hoành thành khoảng thời gian tt nối điểm UC0 với điểm đường cong 2Up(t) cuối khoảng thời gian cho điện áp UC khoảng thời gian thay đổi theo đoạn thẳng nối điểm đường cong Uc(t) với điểm iểm đường cong 2Up(t) vào cuối khoảng thời gian thứ hai Upx(t) = UC(t) - Up(t) tại thời điểm =2l/v, sóng phản xạ từ cuối đường ờng dây trở Z từ thời điểm đường cong 2Ut(t) cần phải thay đường cong 2Ut(t) – Upx(t) 3/31/2014 Page 43 ẢNH HƯỞNG ỞNG CỦA VẦNG QUANG XUNG KÍCH ĐỐI VỚI TRUYỀN Quá điện áp khí có biên độ lớn lan truyền dọc theo dây dẫn gây ion hố khơng khí bao bọc quanh dây dẫn Do ảnh hưởng tượng vầng quang mãnh liệt, sóng điện áp bị méo suy giảm biên đ Hiện tượng biến dạng sóng lan truyền cộng với hiệu ứng tiêu hao lượng gây ion hố khơng khí hình thành điện tích khơng gian xung quanh dây dẫn Q trình xuất cường độ điện trường bề mặt dây dẫn vượt ngưỡng xuất vầng quang dây dẫn Chu trình điện tích - điện áp Nguyên tắc nghiên cứu đặt điện áp u(t) lên đoạn dây dẫn thí nghiệm dài vài chục mét tiến hành đo điện tích khơng gian q(t) xung quanh dây dẫn vầng quang 3/31/2014 Page 44 Nguyên tắc nghiên cứu đặt điện áp u(t) lên đoạn dây dẫn thí nghiệm dài vài chục mét tiến hành đo điện tích khơng gian q(t) xung quanh dây dẫn vầng quang Phân tích kết thực nghiệm quan hệ q=f(u), xác định suy giảm bổ sung biến dạng sóng ngưỡng tính tốn qesp dq=Cddu q=Chhu u0 u1 § iƯn ¸ p tøc thêi U § iƯn ¸ p u(t) § iƯn tÝch ch, q đường cong quan hệ điện tích với điện áp (gọi đặc tính volt - coulomb) U1(t) U2(t) u Thêi gian t t Nếu điện áp nhỏ ngưỡng điện áp vầng quang dây dẫn, điện tích đơn điện tích nạp tụ điện hàm số điện áp Nếu điện áp vượt ngưỡng u0, ta có chu trình điện tích - điện áp 3/31/2014 Page 45 q  q hh  q d  C hh  q d q  C hh u Nếu coi truyền sóng khơng tổn hao ta có dq/du gọi điện dung động dây dẫn điện dung phụ thuộc vào điện áp độ dốc tức thời chu trình, có giá trị lớn điện dung hình học Chh dây dẫn di dq dq du   dx dt du dt dq di  Cd dx du Nghiệm phương trình xác định vận tốc truyền sóng   LC d Với giả thiết khoảng u u+u sóng điện áp di chuyển với vận tốc khác nhau, nhỏ vận tốc ánh sáng c xác định theo điện dung động tức thời Thời gian chậm trễ t đặc trưng cho biến dạng sóng tính : Người ta giải thích biến dạng tác động sóng điện áp  l l l t    v c c 3/31/2014 Page 46 v c  l   v c  c 1 v   c C d / C hh Ngồi méo dạng sóng lan truyền cịn tính theo tổn thất lượng Tổn thất lượng điện tích khơng gian xung quanh dây dẫn chu trình điện áp viết w  udq cycle Sự suy giảm sóng điện áp lan truyền theo đường dây hiệu ứng vầng quang bị ảnh hưởng lan truyền hệ nhiều dây dẫn, làm tăng ng hệ số ngẫu hợp  kk  2 ln 2h k  rk Ck k12 Z 21  21     21 C1 Z 11  11 Khi điện áp dây dẫn thứ vượt ngưỡng, điện dung tăng hiệu ứng vầng quang Có thể tính cơng thức gần sau   3/31/2014 Page 47 1,16  2h  lg   r   2,5hE moy lg u      k d  k12 ... t Nếu điện áp nhỏ ngưỡng điện áp vầng quang dây dẫn, điện tích đơn điện tích nạp tụ điện hàm số điện áp Nếu điện áp vượt ngưỡng u0, ta có chu trình điện tích - điện áp 3/31/20 14 Page 45 q .. .Sóng điện áp đường dây tải điện iện ? ?Quá điện áp khí sét gây nên tác dụng lên cách điện của đường dây trạm biến áp Sóng điện áp lan truyền dọc theo đường dây xuất... tính tốn q trình truyền sóng Các biện pháp bảo vệ chống sét cho hệ thống điện đường dây Lan truyền sóng điện áp thao tác óng cắt mạch điện (ví dụ ta đóng đột ngột hai ? ?Sóng điện áp nội xuất đóng