Bài giảng kỹ thuật điện cao áp chương 8 bảo vệ chống sét trạm biến áp

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG NG : BẢO O VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 3/31/2014 Mở đấu Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp theo sơ s đồ đơn giản Truyền sóng vào trạm qua đoạn oạn cáp Bảo vệ trạm Ví dụ bảo vệ chống sét trạm biến áp Phân bố điện iện áp cuộn dây máy biến áp Page Yêu cầu bảo vệ chống sét trạm biến áp Trạm Trạm biến áp trung gian trạm biến áp loại lớn * Một trạm điển iển hình có diện tích khoảng 0,1km2 * Với mật độ ộ sét lần năm n km2 với cường độ hoạt động 10-30 ngày/năm, m, số lần trạm biến áp bị sét đánh trung bình lần đến năm Nếu sét đánh ánh trực tiếp vào phần thiết bị trạm nối với nhiều đường dây bên : dịng điện sét truyền phía ngồi trạm điện iện áp xác định Zc u (t )  i (t ) n Quá điện áp đạt giá trị 800 kV với dòng điện iện sét bé khoảng 2kA Sẽ xảy phóng điện dẫn đến cố trạm Nếu có thiết bị bảo vệ khe hở phóng điện chống sét van, chúng bảo vệ thiết bị trạm Nếu sét đánh ánh vào phần làm việc trạm cách ly với lưới l điện bên ngồi vào thời điểm phần bị sét đánh mơ tả điện dung điện iện áp có tri số u (t )   i(t ) C Dạng điện áp đặc trưng độ ộ dốc biên độ lớn Trong trường hợp khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện iện lớn nên chống sét van khe hở bảo vệ thiết bị 3/31/2014 Page Phân tích ây cho thấy việc bảo vệ tất phần làm việc trạm chống sét đánh trực tiếp thiếu Vấn đề bảo vệ chống sét đánh trực tiếp : trạm biến áp lớn bảo vệ chống sét đánh thẳng dây chống sét (treo phía thiết bị xà đỡ ỡ dây, cái) cột chống sét kiểu Franklin Nếu sét đánh vào phần không mang điện iện áp trạm nh xà, cột tổng trở nối đất trạm thấp sét khơng gây nguy hiểm cho trạm : Phóng điện ngược cách điện xảy thực nối đất tốt có biện pháp tạo mạng lư ưới nối đât Vấn đề ây cần nghiên cứu bảo vệ chống sóng điện áp truyền từ đường dây vào trạm, điểm bị sét đánh nằm xa trạm Khi sét đánh vào đường dây dẫn đến điện iện áp khí lan truyền từ điểm sét đánh dọc theo đường dây phía trạm biến áp nối với đường ờng dây Trong q trình truyền sóng biên độ sóng điện áp cịn lớn mức cách điện đường ờng dây cịn sóng q cắt (do phóng điện chuỗi cách điện đường dây) tiếp tục lan truyền phía trạm Bảo vệ chống điện áp sét đánh từ đường ờng dây truyền vào trạm có u cầu cao trạm có thiết bị quan trọng MBA máy cắt điện Cách điện đ thiết bị lại yếu nhiều so với cách điện đường dây Do đóó sóng xuất sét gây nguy hiểm thiết bị 3/31/2014 Page Bảo vệ trạm chống sóng q điện áp khí Bảo vệ chống điện áp sét đánh từ đường ờng dây truyền vào trạm có yêu cầu cao trạm có thiết bị quan trọng MBA máy cắt điện iện Cách điện thiết bị lại yếu nhiều so với cách điện đường dây Chỉ Chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm số liệu quan trọng cho phép đánh giá mức độ an tồn với sóng q điện iện áp trạm Tuy nhiên việc tính tốn phức tạp, khối lượng l tính tốn lớn, tham số sóng truyền từ đường ờng dây vào trạm khác (phụ thuộc vào dòng điện sét, kết cấu đường dây, vị trí sét đánh) Do ó việc tính tốn chống sóng truyền phải tính với nhiều tham số khác dựa vào tìm tham số tới hạn nguy hiểm sóng truyền vào trạm Với trị số tới hạn tham số sóng sét, biết phân bố xác suất chúng tính ợc tiêu bảo vệ chống sét truyền vào trạm Phương ng pháp bảo vệ chống sóng truyền vào trạm tìm cách "san bằng" điện áp truyền tới, với mục đích đưa chúng trị số tương thích với mức chịu đựng ựng thiết bị điện : cần đảm bảo mức cách điện xung kích BIL (Basic Impulse Level) tất thiết bị trạm không bị vượt v (phối hợp cách điện) Nguyên tắc bảo vệ tạo mạch điện iện tản dịng điện sét vào đất phóng điện dãn điện Hai laọi thiết bị dùng đểể bảo vệ chống sóng truyền khe hở phóng điện chống sét van Việc Việc sử dụng chống sét van khe hở phóng điện có hiệu trường hợp bố trí thiết bị bảo vệ, đặc ặc biệt khoảng cách từ thiết bị bảo vệ đến thiết bị cần bảo vệ tình hình nối đất trạm Từ đẫn đến khái niệm "khoảng cách bảo vệ" 3/31/2014 Page bảo vệ đoạn đường dây dẫn đoạn gần tới trạm Cũng cần lưu u ý chống sét van thơng dịng điện có biên độ độ dài định không bị phá huỷ Đặc tính tảng đểể phân loại chống sét van, mà tham số dịng điện phóng điện sử dụng thí nghiệm Thơng thường dịng điện iện có giá trị từ 5kA đến 10kA Dịng điện qua chống sét van có sét đánh vào đường ờng dây cách xa trạm (vài kilomét) I 2U p Zc  2U 50% Zc * U50% mức cách điện Zc tổng trở xung kích đường dây * Đối với đường ờng dây điện áp 110 kV: U50%=650 kV, Zc=400, ta tính I=3,25kA Nếu sét đánh vào gần trạm, phản xạ nhiều lần từ điểm đ sét đánh, dòng điện qua chống sét van có trị số I  Is R R  Rcsv * R điện trở nối đất xung kích cột * Rcsv điện trở chống sét van Với chống sét van 110 kV, Ucsv=365 kV, điện trở chống sét van dòng điện 10kA 36,5 Nếu nối đất ất có trị số điện trở nối đất R=10 dịng điện sét tính theo 150kA, ta tính ợc phần dịng điện qua chống sét van 32,11kA Trị số lớn nhiều khả ng chịu chống sét van 3/31/2014 Page Để dịng điện qua chống sét van khơng vượt ợt giới hạn cho phép trở nối đất cột điện đoạn gần tới trạm phải đạt ạt trị số bé (trong ví dụ trên, R cần phải nhỏ h 2,62) Nếu không thực nối đất tốt cần phải loại trừ khả n sét đánh trực tiếp vào đoạn đường dây dẫn đoạn gần tới tới trạm Với mục đích ích đó, đoạn đường dây đến km dẫn đến trạm thường bảo vệ cách treo dây chống sét cột thu sét Việc bảo vệ đoạn đường dây dẫn đoạn oạn gần tới trạm khơng có tác dụng đảm bảo điều kiện làm việc bình thường ờng chống sét van mà cịn có tác dụng giảm độ dốc sóng truyền vào trạm ở trạm biến áp, chống sét van đặt ặt góp nên tới thiết bị ln có khoảng cách định Điện cảm dây nối từ chống sét van đến ến thiết bị điện dung cách điện thiết bị hình thành mạch giao động L-C làm cho điện áp đặt ặt thiết bị vượt v trị số điện áp dư chống sét van Độ chênh lệch lớn chống sét van đặt ặt xa thiết bị sóng truyền vào trạm có độ dốc lớn Để dùng số chống sét van mà bảo vệ ợc toàn thiết bị trạm, phải hạn chế độ dốc sóng cách trước vào trạm sóng phải truyền qua đoạn đường ờng có chiều dài định Vầng quang xuất đoạn làm giẩm độ dốc sóng 3/31/2014 Page Dạng sóng tính tốn Khi sét đánh vào dây dẫn biên độ điện iện áp xuất dây dẫn U dd  Zc I s  100 I s Với dòng điện sét bé, điện áp Udd f b) Sau phóng điện, điện áp cực CSV giữ nguyên điện áp dư Nếu coi CSV nguồn áp điện áp xung vng góc (sử dụng sóng vng góc nhằm mục đích đơn giản hố tính tốn điện áp hai đầu đoạn cáp khơng có bị ảnh hưởng nhiều độ dốc cảu sóng) Sơ đồ tương đương hình b mạch giao động đ biết với điều kiện vào lúc đóng mạch điện (khi khe hở phóng điện CSV bị phóng điện đánh ánh thủng), tụ điện C nạp đến điện áp ban đầu Uo Vì UaUoUoUd có dịng điện Io00 mạch có thể xác định trị số Io đường ờng cong, nh đến tận thời điểm phóng điện CSV, khơng có sóng phản xạ từ điểm sét đánh ánh tính cách gần : Io  thành phần giao động điện áp đoạn oạn cáp từ phương ph trình cân lượng: 2U p  U d Z c Từ tính điện áp đoạn cáp (điện iện áp cách điện thiết bị bảo vệ) U c  U i  U d  Lo Giá trị lớn điện áp : 3/31/2014 Page 23 U i max  U d  2U p  U  Zc L  U d  2U p  U d Cc   LZ c 2l c C c LI 2C U c i  2 L sin tt Cc Ta thấy điện iện áp Ui max phụ thuộc lớn vào biên độ sóng tới tổng trở xung kích đường dây Ui khoảng cách l tăng ng ta tăng t chiều dài đoạn cáp lc lại làm giảm điện áp cách điện điện dung C đoạn đ cáp tăng kéo theo giảm biên độ dao động Ngoài ra, điện iện áp Ui phu thuộc vào thời gian tồn sóng tới Với sóng tới ngắn, CSV khơng kịp làm việc Do điện iện áp cách điện thấp điện áp cực CSV 3/31/2014 Page 24 Bảo vệ trạm Đối với trạm phức tạp, việc xác định điện iện áp thiết bị cần bảo vệ phức tạp h nhiều, phải xem xét trình phản xạ nhiều lần sóng nhiều nút khác nhau, cần xác định điện áp tất nút đồ thực sơ đồ thay trạng thái sóng Khi thiết Trong trường hợp này, người ta thay sơ lập sơ đồồ thay dựa giả thiết sau : sóng sóng lan truyền không bị suy giảm vân vân tốc truyền sóng vận tốc ánh sáng; tổng trở xung kích đường ờng dây và băng b 400 Trong sơ đồ này, thiết bị ợc thay điện dung tập trung tng ng ca nú Thiết bị Máy biến áp Đặc tính Giới hạn Trung bình Có bù điện dung, công suất lớn 10003000 1500 Không bù điện dung, công suất cé 30001000 500 200500 300 trạng thái đóng 300800 500 trạng thái mở 200500 300 trạng thái đóng 4060 60 trạng thái mở 3060 40 kiểu tụ điện 150300 200 kiểu khác 100200 150 Máy biến áp đo lường Máy cắt Cầu dao cách ly Cách điện xuyên 3/31/2014 Page 25 Điện dung, pF Đường dây góp ợc thay phần tử hình , phần tử gồm đoạn dài từ đến 10m, đoạn đường ờng dây có tổng trở sóng, tốc độ truyền sóng lấy 300m/s Điện cảm điện dung phần tử hình  ợc chọn theo tổng trở xung kích L'  Zc v H/m et C'  Zc Zcv  pF/m Sơ đồ xuất phát thường phức tạp đểể q trình tính tốn đơn giản, giảm bớt khối lượng tính tốn cách xác định ịnh trạng thái vận hành nguy hiểm mặt bảo vệ sóng truyền vào trạm và giảm số nút tính tốn sở lựa chọn xác định nút quan trọng thành lập sơ đồ tính tốn Điều đảm bảo cho khả mức độộ bảo vệ an toàn Căn vào sơ đồ đầy đủ đãã lập với chiều dài đoạn đường dây, góp biết, phân tích sơ tìm trạng thái vận hành bất lợi Tr Q trình lan truyền sóng đường ờng dây qua nút có điện dung tập trung nhiều đường dây rẽ nhánh Tiến hành đơn giản hóa sơ đồồ theo nguyên tắc nút gần nh điểm nút nối vào góp nhập chung thành nút 3/31/2014 Page 26 Pour atténuer le calcul, il faut simplifier le schéma  choisir le cas le plus défavorable pour l'isolement choisir les nœuds principaux C1 3/31/2014 Page 27 cs v C Ví dụ bảo vệ chống sét trạm biến áp Nghiên cứu ợc trình bày trạm biến kiểu kín GIS cao áp, cần đảm bảo mức điện áp chịu đựng ựng tất phần tử hệ thống Các phần tử có mức cách điện xung kích BIL khác vấn đề đặt ặt cần thiết phải bổ sung chống sét van xác định vị trí lắp đặt chúng Phương pháp tính Phương pháp xử lý bổ sung số vấn đềề sau : tính tốn theo thuyết định cho phép ước lư ượng điện áp với tham số ảnh hưởng khác : dạng sét, cường độ, điểm sét đánh, ánh, có trang bị thiết bị bảo vệ chống sét hay không, điện trở nối đất; từ từ số liệu thống kê sét, tính tốn tần suất sét đánh số lần nguy hiểm sét; tính kết bảo vệ trạm theo số liệu xác suất Tính tốn bảo vệ 3/31/2014 mơ hình hố trạm biến áp : hoạt động ộng phần tử trạm mô tả phương trình thiết lập sở định luật điện iện học Mơ phóng trạm nh cần thiết phân tích ban đầu để khỏi phải mô tả vấn đề đại ại diện Lời giải hệ phương ph trình máy tính thực với chương ng trình chun dung, ví dụ "EMTP" (Electromagnetic Transient Program) mơ phóng sóng dịng điện sét điện iện áp cho lời giải Giải phương ph trình bước cho phép biểu diễn cách liên tục tiến triển biến dòng/áp vị trí trạm theo thời gian Mơ phóng tái thể cách tương t tự điều xảy thực tế Sét mô tả nguồn dịng phát xung vng góc xung hàm mũ kép điều chỉnh điện Pagethời 28 gian đầu sóng thân sóng áp, Các giả thiết chung sét đánh vào dây chống sét, gây phóng điện iện ngược ng chuỗi cách điện cột bên cạnh sóng sét đánh ánh vào dây chống sét có tham số sau • giá trị biên độ : 200 kA • dạng sóng vng góc : 2/50 s chiều dài đường dây bị sét đánh ánh giới hạn L = 1,5 km kể từ trạm pha bị phóng điện iện : pha nằm xa dây chống sét bị sét đánh bỏ qua điện áp tần số công nghiệp kết cấu xem xét: sơ đồồ vận hành trạm GIS với hệ thống dài tần số mơ phóng : MHz 3/31/2014 Page 29 đường dây 500 kV : 4 dây dẫn phân nhỏ pha, treo dây chống sét ma trận tổng trở: Z1 300 ; Z0 500 cột điện : tổng trở xung kích: 120  độ cao cột : 43 m điện trở nối đất : 25  cách điện : chuỗi cách điện gồm 29 bát sứ điện áp phóng điện : 600 kV thời gian chậm phóng điện theo đường đặc tính V-S trạm GIS : tổng trở xung lích: 70  tổng trở nối đất trạm: <  điện dung : máy biến áp công suất : nF máy biến áp đo lường : nF chống sét van : đặc tính U = f(I) tất liên kết (trừ đường dây) : H/m H/m dài 3/31/2014 Page 30 Mơ phóng theo thuyết định Mơ phóng thực với phương ng án khác nhau: co khơng có chống sét van đặt trước trạm GIS cực máy biến áp, đặc ặc tính riêng khác chống sét van Và với trường tr hợp điện áp lớn ợc phát triển máy biến áp đo lường, trạm GIS, máy biến áp lực Các trị số điện áp ợc so sánh với giá trị BIL Kết với BIL 1550 kV, cần đặt ặt chống sét van (máy biến áp đo lường, máy biến áp lực) Bảng đường cong tương ứng với trư ường hợp an toàn dùng chống sét van (n° 1, 3) 3/31/2014 Page 31 Hiệu bảo vệ chống sét cho trạm biến áp Hiệu Hiệu bảo vệ chống sét cho trạm biến áp thể số lần gây phóng điện cách điện trạm Người ta phân biệt số lần phóng điện đ bị sét đánh vòng vào khu vực bảo vệ 1, số lần phóng điện ngược sang dây dẫn sét đánh ánh vào cột thu sét 2 số lần phóng điện sóng điện áp sét lan truyền từ đường dây tới 3 chỉ tiêu chống sét trạm só lần gây phóng điện cách điện trạm lần phóng điện trạm tương đương ng với ngắn mạch kèm theo dòng điện lớn hồ quang mạnh Chỉ tiêu bảo vệ chống sét trạm định ịnh nghĩa số năm n vận hành an tồn khơng cs cố v M  1     Xác định 1 Số lần phóng điện trung bình năm m sét đánh vòng qua cột thu sét dây chống sét vào vùng bảo vệ ợc xác định theo công thức n yg  6,7A  4H B  H .10 6   nug Pv Ppd nyg : số lần sét đánh xuống trạm năm 100 sét, với A, B chiều dài chiều rộng trạm (m), H – chiều cao cột thu sét (m), 6,7 số lần sét đánh km2 00 dông sét 6,7A  4H B  H .10 6 diện tích thu hút sét trạm, km2 Pv xác suất sét đánh ánh vòng qua cột thu sét vào vùng bảo vệ Ppd xác suất phóng điện sét đánh ánh vào dây dẫn 3/31/2014 Page 32 Dr 100 Ppd  P I  I th ; I th  2U 50% Z Dr cường độ hoạt động ộng dông sét vùng biểu thị số dông sét năm n Xác định 2 Số lần phóng điện ngược ợc trung bình năm n sét đánh vào cột thu sét dây chống sét 1  n yg 1  Ppdng  Dr 100 Trong xác suất phóng điện ngược sét đánh ánh vào cột thu sét xác định dòng điện sét tới hạn Ith Đó giá trị dịng điện sét gây phóng điện ngược ợc từ dây dẫn dòng điện sét theo chuỗi sữ treo xà trạm sang dây dẫn Dòng điện sét tới hạn xác định từ đẳng đ thức điện của cột thu sét độ cao treo chuỗi sứ sét đánh vào cột thu sét với điện áp phóng điện iện U50% chuỗi sứ I th Rxk  50.h  U 50% Với Rxk - điện trở tản xung kích nối đất trạm h - độ cao cộ (xà) đến điểm treo chuối sừ Xác định 3 Sóng xung kích điện iện áp nguy hiểm truyền từ đường dây vào trạm xuất sét đánh vịng qua dây chống sét vào dây dẫn phóng điện ngược ợc cách điện đường dây sét đanhs vào đỉnh cột điện sét đánh vào dây thu sét 3/31/2014 Số lần phóng điện trung bình năm m sóng điện áp truyền vào trạm hcs : độ treo cao trung bình dây chống sét P xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn Pc Pc xác suất phóng điện sét đánh vào đỉnh cột   4h  4h    D ml   4.hcs  P  1  P  c Pc  1  c  Pcs   r bv Pc Pc xác suất phóng điện sét đánh vào dây chống sét l    100 100   l  khoảng vượt v ll khoảng vượt v m m số đường dây không dẫn tới trạm lbv lbv chiều dầi đoạn bảo vệ tới trạm Page 33 Phương pháp đánh giá độ tin cậy bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 3/31/2014 Page 34 ... Hiệu bảo vệ chống sét cho trạm biến áp Hiệu Hiệu bảo vệ chống sét cho trạm biến áp thể số lần gây phóng điện cách điện trạm Người ta phân biệt số lần phóng điện đ bị sét đánh vòng vào khu vực bảo. .. Quá điện áp đạt giá trị 80 0 kV với dòng điện iện sét bé khoảng 2kA Sẽ xảy phóng điện dẫn đến cố trạm Nếu có thiết bị bảo vệ khe hở phóng điện chống sét van, chúng bảo vệ thiết bị trạm Nếu sét. .. qúa điện áp lớn máy biến áp (điểm B) theo hàm T với t cho trước (trường hợp ) Sự phân bố theo thời gian điện iện áp mạch bảo vệ chống sét van 3/31/2014 Page 13 Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến