HIỆN TƯỢNG GIÔNG SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM
Hiện tượng giông sét
Giông sét là hiện tượng tự nhiên xảy ra khi có sự phóng tia lửa điện giữa các điện cực, thường cách nhau khoảng 5km Hiện tượng này chủ yếu bao gồm hai loại phóng điện: giữa các đám mây tích điện và giữa đám mây với mặt đất Bài viết này tập trung vào phóng điện mây-đất, một hiện tượng có tác động trực tiếp đến hệ thống điện.
Các đám mây tích điện với mật độ cao có thể tạo ra cường độ điện trường lớn, dẫn đến sự hình thành dòng điện phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này được gọi là phóng điện tiên đạo, với tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo trong lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5 x 10^7 cm/s Các lần phóng điện tiếp theo có thể đạt tốc độ lên tới 2 x 10^8 cm/s Trong một đợt sét, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện liên tiếp do sự hình thành nhiều trung tâm điện tích trong cùng một đám mây, khiến chúng lần lượt phóng điện xuống đất.
Tia tiên đạo là một môi trường Plasma có điện tích lớn, với đầu tia nối với trung tâm điện tích của đám mây, dẫn đến việc một phần điện tích này đi vào tia Điện tích phân bố đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất, và dưới tác dụng của điện trường, điện tích khác dấu sẽ tập trung trên mặt đất, tùy thuộc vào độ dẫn điện của đất Nếu đất có độ dẫn đồng nhất, điểm tập trung sẽ nằm ngay dưới đầu tia, còn nếu không đồng nhất, điện tích sẽ tập trung ở nơi có độ dẫn cao Quá trình phóng điện diễn ra dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia và điểm tập trung điện tích, xác định địa điểm sét đánh trên mặt đất.
Để định hướng phóng điện sét, cần tạo ra khu vực có mật độ điện tích cao Việc bảo vệ công trình khỏi sét đánh trực tiếp dựa trên tính chọn lọc của phóng điện sét.
Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là n và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo là d, thì điện tích di chuyển vào đất trong một đơn vị thời gian được tính bằng công thức is = n × d.
Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể).
Dòng điện sét là tham số chính của phóng điện sét, với biên độ và độ dốc phân bố theo hàm biến thiên trong khoảng từ vài kA đến vài trăm kA Dạng sóng của dòng điện sét là sóng xung kích, trong đó chỗ tăng vọt của sét tương ứng với giai đoạn phóng điện ngược.
Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như: Ngắn mạch đầu thanh góp, cháy nổ, mất điện trên diện rộng….
1.1.2 Tình hình giông sét ở Việt Nam
Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, có cường độ giông sét mạnh mẽ, đặc biệt là ở miền Bắc, nơi số ngày giông dao động từ 70 đến 110 ngày mỗi năm Trung bình, miền Bắc trải qua từ 150 đến 300 cơn giông, tương đương 2 đến 3 cơn mỗi ngày Móng Cái là khu vực có lượng giông cao nhất, với 250 đến 300 cơn giông trong khoảng 100 đến 110 ngày, chủ yếu vào tháng 7 và tháng 8 Các vùng có địa hình thuận lợi giữa núi và đồng bằng cũng ghi nhận tới 200 cơn giông và 100 ngày giông mỗi năm Ngược lại, Quảng Bình là khu vực ít giông nhất, chỉ có dưới 80 ngày giông hàng năm.
Mùa giông ở Việt Nam không đồng nhất giữa các vùng, với Bắc Bộ có mùa giông từ tháng 5 đến tháng 9 Khu vực duyên hải Trung Bộ, đặc biệt từ Bình Định trở vào, là nơi ít giông nhất, chỉ có khoảng 10 ngày giông trong tháng 5, như Tuy Hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày và Phan Thiết 13 ngày Ngược lại, miền Nam, đặc biệt là đồng bằng Nam Bộ, ghi nhận số ngày giông cao nhất, từ 120 đến 140 ngày mỗi năm.
Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/năm.
Ảnh hưởng của hiện tượng giông sét tới hệ thống điện Việt Nam
Biên độ dòng sét có thể lên tới hàng trăm kA, tạo ra nguồn nhiệt lớn khi đi qua vật thể Có trường hợp dây tiếp địa bị nóng chảy và đứt do tiếp xúc với dòng sét, trong khi các cách điện bằng sứ có thể bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch Phóng điện sét còn kèm theo sự di chuyển của lượng điện tích lớn, tạo ra điện từ trường mạnh, gây ra nhiễu loạn vô tuyến và ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử, với tác động lan rộng đến cả những khu vực cách xa hàng trăm km.
Khi sét đánh vào đường dây điện hoặc gần đó, nó tạo ra sóng điện từ, gây quá điện áp lên cách điện của dây Nếu cách điện bị hỏng, sẽ xảy ra ngắn mạch pha-đất hoặc pha–pha, khiến các thiết bị bảo vệ phải hoạt động Đối với đường dây truyền tải công suất lớn, sự cố này có thể dẫn đến mất ổn định hệ thống, và nếu các nhà máy điện không tự động ứng phó kịp thời, có thể gây ra rã lưới Sóng sét cũng có thể truyền vào trạm biến áp, gây phóng điện trên cách điện, tương đương với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố nghiêm trọng Nếu chống sét van tại máy biến áp không hoạt động hiệu quả, cách điện của máy sẽ bị chọc thủng, gây thiệt hại lớn.
Sét gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng trong hệ thống lưới điện, chiếm tỷ lệ lớn trong các sự cố này Do đó, giông sét được xem là mối nguy hiểm hàng đầu đối với hoạt động của lưới điện.
Kết luận
Nghiên cứu về tình hình giông sét tại Việt Nam cho thấy ảnh hưởng của giông sét đến hoạt động của hệ thống điện là rất lớn Do đó, việc tính toán và thiết kế các biện pháp bảo vệ chống sét cho hệ thống điện là cần thiết, nhằm nâng cao độ tin cậy và đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV
Khái niệm chung
Trạm biến áp 220 kV với thiết bị ngoài trời có nguy cơ cao khi bị sét đánh, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng các thiết bị điện Hệ quả là có thể phải ngừng cung cấp điện trong thời gian dài, ảnh hưởng đến sản xuất và tạo ra chi phí lớn cho ngành điện, từ đó tác động xấu đến nền kinh tế quốc dân Do đó, việc bảo vệ trạm biến áp là rất cần thiết.
Để bảo vệ trạm biến áp khỏi sét đánh trực tiếp, hiện nay người ta thường sử dụng hệ thống cột thu lôi và dây thu lôi Hệ thống này có tác dụng tập trung điện tích, giúp định hướng các phóng điện sét vào khu vực an toàn bên dưới, từ đó đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người.
Hệ thống thu sét cần có dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ thống nối đất Để tối ưu hóa hiệu quả, điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ, giúp tản dòng điện sét nhanh chóng Điều này đảm bảo rằng khi dòng điện sét đi qua, điện áp trên bộ phận thu sét không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị xung quanh.
Khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm, cần chú trọng đến các chỉ tiêu kinh tế hợp lý, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và mỹ thuật.
Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Tất cả thiết bị cần bảo vệ phải nằm trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ, đặc biệt là hệ thống bảo vệ trạm 220/110kV với cột thu lôi Hệ thống thu lôi có thể được lắp đặt trên công trình hoặc độc lập, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Việc lắp đặt cột thu lôi trên công trình giúp tận dụng độ cao, giảm chiều cao cột thu lôi Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nếu có hiện tượng phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị, dòng điện sét có thể tạo ra điện áp lớn trên điện trở nối đất và phần điện cảm của cột, dẫn đến nguy cơ phóng điện ngược tới các phần tử mang điện trong trạm Do đó, điều kiện cần thiết khi đặt cột thu lôi trên các thanh xà của trạm là mức cách điện phải cao và điện trở tản của bộ phận nối đất phải nhỏ.
Trạm biến áp với điện áp từ 110 kV trở lên yêu cầu cách điện cao, bao gồm khoảng cách lớn giữa các thiết bị và chuỗi sứ dài Việc lắp đặt cột thu lôi trên các cấu trúc của trạm là khả thi, nhưng cần đảm bảo rằng đường dẫn từ cột thu lôi đến hệ thống nối đất là ngắn nhất Dòng điện sét cần được khuếch tán vào đất qua 3 đến 4 thanh dẫn trong hệ thống nối đất Ngoài ra, cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.
Cuộn dây máy biến áp là phần yếu nhất trong trạm biến áp ngoài trời có điện áp từ 110 kV trở lên Để bảo vệ máy biến áp, cần lắp đặt cột thu lôi với khoảng cách tối thiểu 15m giữa điểm kết nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối đất của vỏ máy biến áp.
Tiết diện của các dây dẫn điện sét cần phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi dòng điện sét chạy qua Đặc biệt, đối với cấp điện áp từ 110kV trở lên, cần lưu ý điều này để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.
Để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện, khu vực có cột thu lôi cần được trang bị nối đất bổ sung Việc này giúp duy trì điện trở khuyếch tán không vượt quá 4Ω, tương ứng với tần số công nghiệp, nhằm bảo vệ hiệu quả cho hệ thống nối đất.
Khoảng cách trong không khí giữa kết cấu của trạm trên có đặt cột thu lôi và bộ phận mang điện không được bé hơn độ dài chuỗi sứ.
Cột thu lôi độc lập có thể được kết nối vào hệ thống nối đất của trạm phân phối điện áp 110kV nếu tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật Khi sử dụng cột thu lôi độc lập, cần chú ý đến khoảng cách giữa cột thu lôi và các bộ phận của trạm để ngăn ngừa nguy cơ phóng điện từ cột thu lôi đến các thiết bị cần bảo vệ.
Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi, các dây dẫn điện cần được bọc trong ống chì và chôn dưới đất Nếu khoảng cách từ điểm nối đất của cột thu lôi đến điểm nối đất của máy biến áp vượt quá 15m, có thể nối dây chống sét vào hệ thống nối đất của trạm.
Lý thuyết để tính chiều cao cột & dây và phạm vi bảo vệ
2.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi
Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi có độ cao là h là một hình chóp tròn xoay có đường sinh được xác định như sau:
Hình 2.1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi
Trong tính toán, đường sinh được đưa về dạng đường gãy khúc ABC được xác định như
- h: chiều cao cột thu lôi.
- h x : chiều cao cần được bảo vệ.
- r x : bán kính bảo vệ ở độ cao h x h x r r x h h
Hình 2.2: Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi trong tính toán (đường sinh gấp khúc) Bán kính bảo vệ r x được tính như sau:
3 h thì r x = 0,75×h× (1- h x h ) = 0,75× (h – h x ) Các công thức trên chỉ để sử dụng cho hệ thống thu sét có độ cao h < 30m Khi h ¿
30m ta cần hiệu chỉnh các công thức đó theo hệ số p, với p = 5,5
2.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi
2.3.2.1 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi a Hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau
Xét 2 cột thu lôi có độ cao bằng nhau h 1 = h 2 = h, cách nhau 1 khoảng a.
Khi hai cột thu lôi có độ cao bằng nhau và khoảng cách giữa chúng là 7 lần chiều cao (a = 7h), mọi vật nằm trên mặt đất ở khu vực giữa hai cột sẽ được bảo vệ an toàn khỏi sự đánh của sét.
+Khi a < 7h thì khoảng giữa 2 cột sẽ bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h 0 được xác định như sau: h 0 = h - a
Các công thức áp dụng cho hệ thống chống sét có độ cao dưới 30m Đối với hệ thống có độ cao từ 30m trở lên, cần điều chỉnh các công thức theo hệ số p đã nêu Khi xem xét hai cột thu lôi với độ cao khác nhau là h1 và h2, chúng được bố trí cách nhau một khoảng a như trong hình vẽ.
Hình 2.4: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu lôi có độ cao khác nhau
2.3.2.2 Phạm vi bảo vệ cho nhiều cột thu lôi
Cột thu lôi nhóm 3 và 4 có phạm vi bảo vệ tương đương khi chiều cao bằng nhau Một vật có chiều cao h x sẽ nằm trong khu vực bảo vệ nếu nó đáp ứng điều kiện x a.
- D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác được tạo bởi các cột thu lôi.
- h: độ cao của cột thu lôi
- h x : độ cao của vật cần được bảo vệ.
- h a = h – h x : là độ cao hiệu dụng.
Cần kiểm tra điều kiện an toàn cho từng cặp cột đặt gần nhau Nếu độ cao của cột thu sét vượt quá 30m, cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh p.
2.3.3 Phạm vi bảo vê ̣ của dây chống sét
2.3.3.1 Phạm vi bảo vê ̣ của một dây chống sét
Phạm vi bảo vệ của dây chống sét rất rộng, với chiều rộng phụ thuộc vào độ cao h Cụ thể, chiều rộng này được biểu diễn theo các tỷ lệ a', b, c, và a, với h là độ cao và 0,8h là giới hạn tối thiểu cho phạm vi bảo vệ hiệu quả.
Hình 2.6: Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét
Mă ̣t cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây chống sét tương tự cô ̣t thu lôi ta có các hoành đô ̣ 0,6h và 1,2h.
Chú ý: khi đô ̣ cao của cô ̣t lớn hơn 30 mét thì điều kiê ̣n bảo vê ̣ phải hiê ̣u chỉnh theo p.
2.3.3.2 Phạm vi bảo vê ̣ của 2 dây chống sét Để phối hợp bảo vệ bằng hai dây chống sét thì khoảng cách giữa hai dây chống sét phải thoả mãn điều kiện s < 4h
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao
Phạm vi bảo vệ như hình vẽ. h 0,2h
Hình 2.7: Phạm vi bảo vê ̣ của 2 dây chống sét
Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống như một dây, trong khi phần bên trong được xác định bởi một vòng cung đi qua ba điểm: hai điểm treo dây chống sét và một điểm có độ cao.
Đề xuất phương án bố trí cột và dây chống sét cho trạm biến áp
- Trạm biến áp 220/110kV có kích thước 208 x 179,5 (m)
- Các xà phía 110 kV cao 8m và 11m
- Các xà phía 220 kV cao 11m và 17m
- Ta chia trạm thành hai phần:
+ Khu vực chứa các xà phía 220kV có độ cao cần bảo vệ là h x = 17m và h x = 11m.
Khu vực chứa các xà 110kV yêu cầu bảo vệ với độ cao lần lượt là h x = 11m và h x = 8m Để đảm bảo an toàn, bước đầu tiên là xác định vị trí phù hợp để đặt cột thu lôi.
+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng lớn nhất của từng phía h a max.
+ Bước 3: Tính chiều cao của cột thu lôi các phía: h = h x + h a max + Bước 4: Tính và vẽ phạm vi bảo vệ và kiểm tra.
- Ta xét hai phương án như sau:
2.4.1 Phương án 1 + Bước 1: Ta bố trí 33 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:
Trạm 220kV được bố trí với 18 cột, bao gồm 4 cột trên xà đón dây cao 17m (từ số 14 đến 17), 12 cột trên xà thanh góp cao 11m (từ số 1 đến 12) và 2 cột độc lập (số 13 và 18).
Phía 110kV bố trí 15 cột, trong đó có 1 cột trên xà đón dây cao 11 m (số 23), 10 cột trên xà thanh góp cao 8 m và 4 cột độc lập
Hình 2.8: Bố trí các cột thu lôi của phương án 1
+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Các cột thu lôi tạo thành lưới cột sẽ được chia thành các nhóm đa giác đỉnh, và từ đó, ta sẽ tính độ cao hiệu dụng h_a của từng nhóm cột Điều kiện cần thiết để thực hiện tính toán này là a 8 h ≥ D.
Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.
Ta chia 18 cột thành 6 hình chữ nhật và 9 hình tam giác
Xét nhóm cột (1-2-6-5) là hình chữ nhật với kích thước:
- Chiều rộng cạnh 2-6: b = 30,8m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
D a 2 b 2 43 30,8 2 2 52,893( ) m Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
Xét nhóm cột (9-13-14) là hình tam giác có kích thước:
- Cạnh 9-14: c = 57,342 m Nửa chu vi tam giác trên là: p = 69,647 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.1 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 1
Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a m ax 9,390( ) m
Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là h x
Chiều cao tối ưu của cột thu lôi là 27 m, được tính toán dựa trên công thức h = a + 17 m, với a là chiều cao bổ sung cần thiết Việc nâng cột lên tới 27 m không chỉ thuận tiện cho thi công mà còn tăng cường độ an toàn bảo vệ cho các thiết bị.
Ta chia 15 cột phía 110kV thành 6 hình chữ nhật, 4 tam giác và kết hợp với phía 220kV ta chia thành 14 hình tam giác.
Xét nhóm cột (19-20-25-24) là hình chữ nhật có kích thước:
+ Chiều rộng (các cạnh 2-7, 1-6): b = 24,5 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
D 1 a 2 b 2 33,5 2 24,5 2 41,503( ) m Độ cao tác dụng tối thiểu của nhóm cột là:
Xét nhóm cột (20-21-25) là hình tam giác có kích thước:
+ Cạnh 20-21: a = 37 m + Cạnh 12-19: b = 39,812 m + Cạnh 19-11: c = 25,5 m + Nửa chu vi tam giác trên là: p = 51,156 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
Độ cao hiệu dụng của nhóm cột là:
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.2 Chiều cao hiệu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 1
Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a max 7,692( ) m
Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 110kV là 11m, do đó chiều cao của các nhóm cột thu sét được tính là h = h + x = 11 + 7,692 = 18,692m Để thuận tiện cho thi công và tăng cường độ an toàn cho thiết bị, cột thu lôi sẽ được nâng lên tới 19m Bước tiếp theo là tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi.
Chúng tôi chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo đa giác đỉnh, do phần diện tích bên trong đã được bảo vệ Với chiều cao các cột thu lôi nhỏ hơn 30m, công thức tính không cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p.
Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi:
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 26 m
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 17 m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m là:
Phạm vi bảo vệ của các cột phía 110kV cao 19 m:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11 m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 8m là:
Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:
+ Xét cặp cột (1-2) có cùng độ cao 27m và đặt cách nhau một khoảng là a = 30,8m
Do a 30,8 7 h 28 7 26 182( ) m nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 17m và h x = 11m là:
+ Xét cặp cột (19-24) có độ cao 19m và đặt cách nhau một khoảng là a = 24,5 m
Do a = 24,5 m < 7×19 = 133 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là: h 01 2
= 15,5 (m) Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m và h x = 8m là:
+ Xét cặp cột (13-19) có độ cao 27m và 19m và đặt cách nhau một khoảng 26,622 m Bán kính bảo vệ của cột số 13 cao 26m cho phần độ cao 19m là:
Khoảng cách từ cột số 13 đến cột giả tưởng có cùng độ cao được tính bằng cách lấy độ cao cột số 13 trừ đi giá trị x, trong đó x = 0,75× (27-19) = 6 m Do đó, khoảng cách này là a’ = 26,622 – 6 = 20,622 m Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 13 và cột giả tưởng cùng độ cao là 20,622 m.
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h 013-19 cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 8m là:
+ Xét cặp cột (18-23) có độ cao 27m và 19m và đặt cách nhau một khoảng 46,077 m Bán kính bảo vệ của cột số 18 cao 27m cho phần độ cao 19m là:
Khoảng cách từ cột số 18 đến cột giả tưởng có cùng độ cao được tính bằng công thức x = 0,75× (27-19) = 6 m Do đó, khoảng cách a’ = a – x = 46,077 – 6 = 40,077 m Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 13 và cột giả tưởng cùng độ cao là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h 018-23 cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 8m là:
-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:
Bảng 2.3 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên phương án 1
Loại cặp cột Tên h1 h2 a ho 2/3ho hx1 rox1 hx2 rox2
Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:
Hình 2.9 Phạm vi bảo vệ của phương án 1
Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.
Tổng chiều dài kim thu sét là:
2.4.2 Phương án 2 + Bước 1: Ta bố trí 52 cột thu lôi ở các vị trí như hình vẽ sau:
Phía 220kV bố trí 25 cột, trong đó có 7 cột trên xà cao 17m, 18 cột trên xà cao 11m, 4 cột độc lập.
Phía 110kV bố trí 25 cột trong đó có 4 cột trên xà cao 11m, 15 cột trên xà cao 8m, 6 cột độc lập.
Hình 2.10 Bố trí các cột thu lôi của phương án 2
+ Bước 2: Tính chiều cao hiệu dụng của các cột thu lôi:
Do các cột thu lôi tạo thành lưới cột, chúng ta cần chia lưới này thành các nhóm đa giác đỉnh Sau đó, tính toán độ cao hiệu dụng \( h_a \) của từng nhóm cột theo điều kiện \( a \cdot 8 \geq D \).
Trong đó: D là đường kính của đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh.
+ Xét nhóm cột (1-2-8-7) là hình chữ nhật với kích thước:
- Chiều rộng: b = 30,8 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
D a 2 b 2 43 2 30,8 2 52,893 ) ( m Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
+ Xét nhóm cột (7-8-13) là hình tam giác có kích thước:
Nửa chu vi tam giác trên là: p = 57,089 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đi qua chân các cột thu sét trên là:
Độ cao tối thiểu của các cột trên là:
Tính toán tương tự PA1 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.4 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 220kV phương án 2
Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m ha, m ha, max
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a max = 7,188 m
Do độ cao lớn nhất cần bảo vệ ở phía 220kV là h x
Chiều cao của các cột thu lôi được tính toán là 24,188m, bao gồm chiều cao tối đa h và chiều cao bổ sung a Để đảm bảo thuận tiện trong thi công và nâng cao độ an toàn cho thiết bị, cột thu lôi sẽ được nâng lên tới 25m.
Ta chia 25 cột phía 110kV thành 13 hình chữ nhật và 15 tam giác, trong đó có 12 tam giác kết hợp với phía 220kV
Xét nhóm cột (26-27-34-33) là hình chữ nhật có kích thước:
+ Chiều dài: a = 33,489 m + Chiều rộng: b = 24,521 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh trên là:
D a b m Độ cao tác dụng tối thiểu của các nhóm 1là:
Xét nhóm cột (20-26-27) là hình tam giác có kích thước:
+ Cạnh 20-26: a = 26,614 m + Cạnh 20-27: b = 36,955 m + Cạnh 26-27: c = 33,500 m + Nửa chu vi tam giác trên là: p = 48,535 m Đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác đỉnh là:
Độ cao hiệu dụng của nhóm 2 là:
Tính toán tương tự PA2 cho các đa giác còn lại ta có bảng sau:
Bảng 2.5 Chiều cao hữu dụng của các nhóm cột phía 110kV phương án 2 Tên đa giác a, m b, m c, m p, m D, m h a , m h amax, m 20-26-27 26,614 36,955 33,5 48,535 38,279 4,785
Nhận xét: Ta thấy chiều cao hiệu dụng lớn nhất của các nhóm cột này là: h a max = 5,794 m
Chiều cao tối đa cần bảo vệ cho hệ thống 110kV là 11m, do đó chiều cao của các nhóm cột thu lôi được tính là 16,794m (h = 11 + 5,794) Để thuận tiện cho việc thi công và nâng cao độ an toàn cho thiết bị, cột thu lôi sẽ được nâng lên tới 17m Bước tiếp theo là tính toán phạm vi bảo vệ cho các cột thu lôi.
Chúng tôi chỉ xem xét phạm vi bảo vệ của các cặp cột biên dọc theo chu vi trạm, vì diện tích bên trong đã được bảo vệ Chiều cao của các cột thu lôi đều dưới 30m, vì vậy trong công thức tính toán, không cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh p.
Tính bán kính bảo vệ của một cột thu lôi
- Phạm vi bảo vệ của các cột phía 220kV cao 25m Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 17m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m là:
- Phạm vi bao vệ của các cột phía 110kV cao 17 m:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 11m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao h x = 8m là:
Tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên:
+ Xét cặp cột (1-2) có độ cao 25m và đặt cách nhau một khoảng là a = 30,8m
Do a = 30,8m < 7×25 = 175 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 17m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 11m là:
+ Xét cặp cột (26-33) có cùng độ cao 17m và đặt cách nhau một khoảng là a = 24,506m
Do a = 24,506m < 7×17 = 119 (m) nên chiều cao lớn nhất được bảo vệ giữa 2 cột là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ cho độ cao 8m là:
+ Xét cặp cột (20-26) có độ cao 25m và 17m và đặt cách nhau khoảng a = 26,609m Bán kính bảo vệ của cột số 26 cho độ cao 17m là:
Khoảng cách từ cột số 26 đến cột giả tưởng có cùng độ cao 17m được tính bằng công thức x = 0,75× (25-17) = 6,000(m) Do đó, khoảng cách a’ = a – x = 26,609 – 6,000 = 20,609 (m) Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 26 và cột giả tưởng có cùng độ cao 17m là điều cần lưu ý.
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h o20-26 cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h 020-26 cho độ cao 8m là:
+ Xét cặp cột (25-32) có độ cao 25m và 17m và đặt cách nhau khoảng a = 26,538m Bán kính bảo vệ của cột số 25 cho độ cao 17m là:
Khoảng cách từ cột số 26 đến cột giả tưởng có cùng độ cao 17m được tính bằng công thức x = 0,75 × (25 - 17) = 6,000m Do đó, khoảng cách a' = a - x = 26,609 - 6,000 = 20,538m Độ cao lớn nhất được bảo vệ giữa cột số 26 và cột giả tưởng là 17m.
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h o20-26 cho độ cao 11m là:
Bán kính bảo vệ của cột giả tưởng h 020-26 cho độ cao 8m là:
-Tính toán tương tự cho các cặp cột biên còn lại ta có kết quả như bảng sau:
Bảng 2.6 Kết quả tính bán kính bảo vệ của các cặp cột biên của phương án 2
Loại cặp cột Tên h1 h2 a ho 2/3ho hx1 hx2 rox1 rox2
Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được hiển thị trong hình sau:
Hình 2.11 Phạm vi bảo vệ của phương án 2
Kết luận: Phương án bảo vệ thỏa mãn yêu cầu đặt ra.
Tổng chiều dài kim thu sét là:
2.5 Chọn phương án tối ưu
Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vì vậy cần xem xét yếu tố kinh tế để đưa ra lựa chọn Phương án tối ưu sẽ là phương án có tổng chiều cao cột thu sét nhỏ nhất Dưới đây là bảng so sánh.
Bảng 2.7 So sánh 2 phương án Phương án
Chỉ tiêu Phương án 1 Phương án 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 220/110KV
Khái niệm chung
Bộ phận nối đất là phần cuối cùng của mạch chống sét, bao gồm các vật liệu kim loại được chôn sâu xuống đất để tạo thành hệ thống nối đất Hệ thống này có nhiệm vụ tản dòng điện sét xuống đất, giúp giảm điện thế trên các vật nối đất Việc nối đất cho trạm, cột thu lôi, đường dây và thiết bị chống sét là rất quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp khí quyển Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất khác nhau.
Nối đất làm việc là phương pháp đảm bảo hoạt động ổn định cho thiết bị hoặc các bộ phận thiết bị theo chế độ đã quy định Loại nối đất này bao gồm nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất cuộn thứ cấp của máy biến áp đo lường, các kháng điện bù ngang trong tải điện đi xa, và nối đất cho thiết bị chống sét.
Nối đất an toàn là biện pháp bảo vệ quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hỏng Việc thực hiện nối đất an toàn bao gồm việc kết nối tất cả các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy biến áp, vỏ động cơ, vỏ máy cắt và các giá đỡ kim loại Khi cách điện gặp sự cố, các bộ phận này có thể mang điện, nhưng nhờ vào hệ thống nối đất, điện thế được giữ ở mức thấp, từ đó giảm thiểu nguy cơ gây hại cho tính mạng của người tiếp xúc.
Nối đất chống sét có vai trò quan trọng trong việc tản dòng điện sét xuống đất, giúp giữ điện thế tại cột thu lôi và đường dây ở mức an toàn, từ đó hạn chế phóng điện tới công trình Tại các nhà máy điện và trạm biến áp, cần tách biệt hai hệ thống nối đất: nối đất làm việc và nối đất an toàn, nhằm ngăn ngừa điện thế cao trong hệ thống nối đất an toàn khi có dòng ngắn mạch lớn Tuy nhiên, thực tế thường sử dụng một hệ thống nối đất chung cho cả hai nhiệm vụ, do đó yêu cầu điện trở nối đất không vượt quá 0,5 Ω Để giảm thiểu khối lượng kim loại trong xây dựng hệ thống nối đất, cần tận dụng các loại nối đất tự nhiên.
Hệ thống dây chống sét, cột
Kết cấu kim loại trong các công trình xây dựng bao gồm các yếu tố như móng nhà bằng sắt, ống nước chôn dưới đất và các ống kim loại khác, đảm bảo không chứa các chất dễ gây cháy nổ.
Khi sử dụng nối đất tự nhiên, cần tuân thủ các quy định của quy phạm Nếu điện trở nối đất tự nhiên đáp ứng yêu cầu cho thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất nhỏ, không cần thiết phải thêm nối đất nhân tạo Tuy nhiên, đối với thiết bị có dòng ngắn mạch lớn, cần thiết lập nối đất nhân tạo với điện trở nhỏ hơn 1 Ω.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nối đất
3.2.1 Trị số cho phép của điện trở nối đất
Trị số của điện trở nối đất chủ yếu phụ thuộc vào điện trở lớp đất tại điểm tiếp xúc với bộ phận nối đất khi có dòng điện đi qua, cụ thể là trị số điện trở suất của đất ρ (Ω m) Ngoài ra, nó còn bị ảnh hưởng bởi hình dạng, kích thước và cách bố trí của bộ phận nối đất trong lòng đất Mức độ an toàn của hệ thống chống sét, hay khả năng nhanh chóng tiêu tán dòng điện sét vào đất, phụ thuộc vào trị số điện trở nối đất; nếu trị số này càng thấp, thì mức độ bảo vệ an toàn của hệ thống chống sét càng cao.
Việc giảm điện trở nối đất có thể làm tăng chi phí xây dựng do tiêu tốn nhiều kim loại, vì vậy cần quy định trị số cho phép của điện trở nối đất Hệ thống nối đất hoạt động phải đáp ứng các yêu cầu làm việc của từng thiết bị theo quy định hiện hành.
Đối với các thiết bị có điểm trung tính nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất là:
Đối với các thiết bị có điểm trung tính cách điện với đất thì yêu cầu điện trở nối đất là: R I
250 Ω (nếu như phần nối đất này chỉ dùng cho thiết bị cao áp).
Nếu hệ thống sử dụng điểm trung tính cách điện và có hệ thống nối đất chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp, thì yêu cầu về điện trở nối đất phải đạt tiêu chuẩn: R ≤.
Với I là dòng điện chạm đất, I tùy thuộc vào mỗi trường hợp chạm đất nó có giá trị khác nhau.
3.2.2 Hệ số mùa Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như thành phần, do đó điện trở suất của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần muối, axit , độ ẩm, nhiệt độ, của đất Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn thay đổi, đặc biệt với lớp đất ở trên, còn đối với lớp đất sâu ở dưới độ dao động về độ ẩm ít hơn Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất cần chú ý tới trị số điện trở suất tính toán của đất Điện trở suất của đất được tính theo công thức: tt d k mùa
- ρ d : điện trở suất đo được của đất.
- k mùa : hệ số mùa, phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của hệ thống nối đất khi đo đất khô hay ẩm.
Bảng 3.1 Bảng hệ số k mùa
Loại nối đất Dạng cực
Hệ số mùa K mùa ứng với các trạng thái Đất khô Đất ẩm
Trình tự tính toán
Điện trở suất đo được của đất khô: ρ đ = 93 Ωm. Điện trở nối đất của cột đường dây: R c = 10 Ω.
Dây chống sét sử dụng loại C-70, có điện trở đơn vị là r 0 = 2,38 Ω/km.
Chiều dài khoảng vượt của đường dây 220kV là: l 220 = 530 m
Chiều dài khoảng vượt của đường dây 110kV là: l 110 = 330 m. Điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt là:
Số lộ đường dây nối tới trạm: Phía 220kV n = 4 lộ
3.3.1 Nối đất an toàn làm việc
Trạm điện thiết kế là trạm 220kV/110kV, là mạng có điểm trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R HT ≤ 0,5 Ω.
Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:
Với R TN : là điện trở nối đất tự nhiên.
R NT : là điện trở nối đất nhân tạo, yêu cầu R NT ≤ 1 Ω.
Nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống nối đất chống sét đường dây và cột điện 110kV và 220kV nối tới trạm.
Ta có công thức sau :
Trong đó: n: là số lộ đường dây.
R cs : là điện trở tác dụng của dây chống sét trên một khoảng vượt.
R c : là điện trở nối đất của cột điện.
Ω Vậy ta có điện trở nối đất tự nhiên của toàn trạm là:
Theo lý thuyết, giá trị RTN ≤ 0,5 Ω đã đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, do điều kiện nối đất tự nhiên có thể thay đổi, việc thực hiện nối đất nhân tạo vẫn là cần thiết để đảm bảo an toàn.
Để thực hiện nối đất nhân tạo, chúng ta sử dụng thanh ngang dẹt có kích thước 40x4mm, chôn sâu 0,8m Thanh nối đất này được đặt vòng quanh chu vi tường bao của trạm, cách tường bao 1m.
Hình 3.1 Mạch vòng nối đất của trạm
Chu vi và diện tích mạch vòng nối đất của trạm:
S = 177,5×94,3 + 33,8×148 + 77,9×166 = 34672,05 m 2 Biến đổi mạch vòng về hình chữ nhật cùng chu vi và diện tích, có chiều dài l 1 và chiều rộng l 2 thãn điều kiện:
=> l 1 = 275,773m; l 2 = 125,727m Điện trở suất của đất: = 93 m
L: là chu vi mạch vòng, L= 803 m tt : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở sâu t: tt d k mua
Tra bảng 3.1, với thanh ngang chôn sâu 0,8 m, khi đo đất khô, ta có k mùa =1,6:
tt = 93×1,6 = 148,8 (Ωm) d: đường kính thanh làm mạch vòng, do thanh bằng thép dẹt nên:
K: hệ số hình dạng phụ thuộc hình dáng của mạch vòng
Giá trị của K phụ thuộc vào kích thước mạch vòng
Bảng 3.2 Bảng hệ số hình dáng của mạch vòng nối đất
Ta có , ứng với tỉ số
2,193 125,727 l l ta có hệ số hình dáng như sau: k = 6,42 +
Như vậy điện trở mạch vòng là :
Ta có điện trở nối đất của hệ thống là:
Hệ thống nối đất đã được thiết kế đạt tiêu chuẩn với R HT = 0,132 (Ω) < 0,5 (Ω), đảm bảo yêu cầu cho nối đất làm việc và nối đất an toàn Để kiểm tra, chỉ cần thực hiện với máy biến áp, nhằm đảm bảo rằng khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất, các điều kiện an toàn vẫn được thỏa mãn.
- I S : dòng điện sét trong tính toán thiết kế lấy I S = 150kA.
- U 50%MBA : mức phóng điện xung kích nhỏ nhất của MBA.
Ta có U 50%110 = 460kV; U 50%220 = 1050kV Vậy lấy U 50%MBA = 460kV.
Tính toán nối đất phân bố dài không xét đến quá trình phóng điện trong đất
Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:
Hình 3.2 Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất
Trong mọi tình huống, điện trở tác dụng R có thể được bỏ qua do giá trị của nó nhỏ hơn so với điện trở tản Hơn nữa, phần điện dung C cũng không cần xem xét, vì ngay cả khi gặp sóng xung kích, dòng điện dung vẫn rất nhỏ so với dòng điện trở tản.
Hình 3.3 Sơ đồ đẳng trị rút gọn
- L 0 : điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài.
- G 0 : điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài.
- Điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài: L 0 0, 2 ln 0,31 H m / r
(nối đất mạch vòng theo chu vi của trạm)
r: bán kính cực ở phần trước với cực là thép dẹt 40x4 mm có bề rộng b = 0,04(m):
- Điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài: G 0 = 1
R: điện trở tản xoay chiều tính cho mùa sét:
Trong nối đất chống sét khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8m thì k mua set 1, 2
Việc nối đất được thực hiện thông qua một mạch vòng bao quanh trạm mà không cần đóng thêm cọc, do đó giá trị điện trở nhân tạo trong mùa sét được tính theo một công thức cụ thể.
Tính tổng trở xung kích của hệ thống nối đất
Từ sơ đồ đẳng trị ta có:
Gọi Z(x,t) là điện trường xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian: Z ( x ,t )= U ( x ,t )
Dòng điện U(x,t) và điện áp I(x,t) được xác định từ hệ phương trình vi phân Khi thống nối đất có dạng sóng xiên góc i(0,t) = at, ta có thể tính toán điện áp tại bất kỳ điểm nào trên điện cực.
Suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất:
Trong thiết kế tính toán ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi.
Phương trình sóng có dạng sau: ds S ds ds at khi t
Biên độ dòng điện sét được quy định là I0 kA Độ dốc của dòng sét là a 30 kA / s Thời gian đầu sóng là
Do coi mạch vòng là sự ghép song song của hai tia nên:
Để xác định được Z ∑ (0,τ ds ) ta xét chuỗi số sau:
Trong dãy số này, chúng ta chỉ xem xét các số hạng chứa e^-4, vì từ số e^-5 trở đi, giá trị của chúng rất nhỏ so với các số hạng trước Do đó, chúng ta có thể bỏ qua những số hạng này và chỉ tính đến k sao cho
Vì k là số nguyên dương và k 8,831 nên k = 1÷8
Bảng 3.3 Bảng kết quả chuỗi
Do đó tổng trở sóng đầu vào mạch vòng sẽ được tính bằng: s 3
Kiểm tra điều kiện nối đất chống sét:
Hệ thống nối đất nhân tạo mạch vòng chỉ đáp ứng tiêu chuẩn nối đất làm việc và an toàn, chưa đủ tiêu chuẩn chống sét Để bảo vệ an toàn cho máy biến áp và các thiết bị, cần thực hiện nối đất bổ sung xung quanh trạm.
Trong hệ thống nối đất bổ sung, chúng ta sử dụng thanh và cọc tại chân các cột thu sét để đảm bảo an toàn Việc xác định điện trở nối đất (Z bs) bằng lý thuyết gặp nhiều khó khăn, do đó, lựa chọn hình thức nối đất bổ sung là một giải pháp hiệu quả.
Tia – cọc bao gồm: tia là loại thép dẹt 40×4mm, dài 7m, cọc là thép góc 40×40×4mm, dài 3m
Khoảng cách giữa hai cọc: a = 3 m, toàn bộ hệ thống chôn sâu 0,8m.
Sơ đồ nối đất bổ sung như sau:
Hình 3.4 Sơ đồ nối đất bổ sung
Chiều dài tia được xác định là l = 7m và độ chôn sâu của tia là t = 0,8m Điện trở suất tính toán của đất với tia được ký hiệu là ttT Với điều kiện đất khô và tia chôn sâu 0,8m, hệ số K mùa của tia được chọn là 1,2 (theo bảng 3.1) Từ đó, điện trở suất tính toán được tính toán bằng công thức tt.T = 0 × K mùa = 93×1,2 = 111,6 (.m).
Vì ta chọn thanh dẹt có bề rộng b = 0,04m nên đường kính tia: d = b/2 = 0,02(m).
K: hệ số hình dáng lấy k = 1 do nối đất là tia ngang.
2 2 4 tt coc coc cocC coc coc l t l
tt : điện trở suất tính toán của đất với cọc Đất khô và cọc sâu 0,8m nên chọn K mùa của cọc là 1,15 (theo bảng 3.1)
Thay vào công thức trên ta có
Điện trở bổ sung được tính theo công thức sau: R BS =
T , c : hệ số sử dụng của thanh và cọc Với: n = 3, l cọc = 3 m, a = 3 m, a/l = 1: Tra bảng 3 bảng 5 phần phụ lục sách hướng dẫn thiết kế KTĐCA ta được: c = 0,76, T = 0,77.
Tổng trở của hệ thống khi có nối đất bổ sung
Ta có công thức tính tổng trở xung kích khi có nối đất bổ sung như sau:
X K bs NT set NT set T
NT set bs NT set k bs K
8,916 , 430 bs NT set bs NT set
Tương tự như trên ta chỉ xét đến số hạng e -4 , nghĩa là
Hệ thống nối đất được thể hiện qua mạch vòng với hai tia song song có cùng độ dài Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất được mô tả như sau:
Hình 3.5 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất Với: L’, G’ lần lượt là điện cảm và điện dẫn của 1 đơn vị dài L’= L 0 /2; G’ = 2×G 0
Trong đó X K là nghiệm của phương trình
Giải phương trình trên bằng phương pháp đồ thị và ta có nghiệm như sau:
Ta có T 1 = 97,490 (μs); R bs = 8,916 (Ω); R NT(sét) = 0,430 (Ω).
Bảng 3.4 Kết quả tính toán các giá trị B k X k cos(X k ) 1 cos 2 X k
Từ bảng trên ta có giá trị của B:
Vậy tổng trở xung kích khi có nối đất bổ xung là:
Z A B Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại: max XKbs (0, ) 1 2682 401 ds 50 ,7 ( 34 )
Ta thấy U max 401,734 kV U 50% MBA 460 kV
Sau khi thực hiện nối đất bổ sung, các điều kiện về nối đất chống sét đã được thỏa mãn Chúng ta sẽ áp dụng phương án này để thực hiện nối đất cho trạm biến áp, với sơ đồ nối đất toàn trạm như trong hình vẽ.
Hình 3.6 Sơ đồ nối đất toàn trạm biến áp
TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 220KV
Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đường dây
Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, thường xuyên phải đối mặt với sét và quá điện áp khí quyển Quá điện áp có thể xảy ra do sét đánh trực tiếp hoặc do cảm ứng từ sét đánh gần đó, dẫn đến việc cắt máy cắt và ảnh hưởng đến cung cấp điện cũng như an toàn thiết bị, đặc biệt là máy biến áp Trong mùa mưa ở nước ta, xác suất sét đánh vào đường dây rất cao, do đó việc tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây là cực kỳ quan trọng, cần đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật Việc bảo vệ chống sét cho đường dây phải được phối hợp chặt chẽ với bảo vệ cho trạm, đặc biệt là đoạn đường dây gần trạm, nhằm ngăn ngừa quá điện áp nguy hiểm cho thiết bị trong trạm.
Do trị số quá điện áp khí quyển rất lớn, không thể chọn mức cách điện cho đường dây đáp ứng hoàn toàn yêu cầu này mà không làm tăng vốn đầu tư quá mức Vì vậy, việc bảo vệ chống sét cho đường dây chỉ có thể giảm thiểu sự cố ở mức thấp nhất, đảm bảo tính hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật Để đánh giá khả năng chịu sét của các đường dây khác nhau, người ta sử dụng đại lượng suất cắt.
Lý thuyết tính toán
4.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét Để bảo vệ cho các đường dây tải điện người ta dùng dây chống sét thay cho các cột thu sét do đường dây trải dài trên một diện tích khá rộng lớn Nó được treo phía trên các dây pha, có đường kính nhỏ hơn các dây pha và được nối đất ở từng cột Các dây chống sét treo cao trên đường dây tải điện sao cho các dây pha nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một vùng dọc theo chiều dài đường dây, có mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét được xác định tương tự như với cột thu sét. a Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét h
Hình 4.1 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét
Xét dây chống sét treo ở độ cao h, bảo vệ cho độ cao h x Chiều rộng của phạm vi bảo vệ cho độ cao h x là 2b x , b x được xác định như sau:
3 h thì b x =0,6 h ( 1− h h x ) b Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét
Hình 4.2 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét treo cùng độ cao
Xét hệ hai dây chống sét có độ cao h, đặt cách nhau một khoảng O 1 O 2 = a.
Khi a ≤ 4h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa hai dây chống sét sẽ được bảo vệ an toàn
Khoảng giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất: h 0 =h− a
- Phần nằm giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h 0
- Phần ngoài khoảng giữa hai dây chống sét là phạm vi bảo vệ của từng dây chống sét độc lập.
4.2.2 Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét
4.2.2.1 Góc bảo vệ của dây chống sét Đối với đường dây tải điện: dd cs h 2 h
3 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được tính theo theo công thức: dd x cs cs b 0,6h (1 h )
Trong đó: hdd là chiều cao treo dây dẫn. hcs là chiều cao treo dây chống sét. bx là phạm vi bảo vệ một bên của dây thu sét.
Từ đó ta tính được góc bảo vệ giới hạn của dây thu sét: cs cs dd x gh cs dd cs cs dd
Vậy khi góc bảo vệ α < α gh thì đường dây được bảo vệ hoàn toàn.
4.2.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây
Mật độ sét trên toàn bộ khu vực có đường dây điện đi qua là đồng đều Số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm có thể được tính toán dựa trên mật độ này.
(4.1) Trong đó: m s : mật độ sét vùng có đường dây đi qua, m s = 0,1÷ 0,15. n ng.s : số ngày sét trong một năm. h: chiều cao trung bình của dây trên cùng (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.
Hình 4.3 Góc bảo vệ của dây thu sét
Tùy thuộc vào vị trí của sét đánh, mức độ quá điện áp trên cách điện đường dây sẽ khác nhau Có ba khả năng được phân biệt liên quan đến số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét.
- Sét đánh vào đỉnh cột và lân cận: dc 2
- Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
N dd N V (4.4) Với 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 α và được xác định theo công thức sau: lg 4
(4.5) Trong đó h c : chiều cao của cột (m). α : góc bảo vệ (độ).
- Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt: kv dc dd 2
4.2.2.3 Số lần phóng điện khi sét đánh vào đường dây
Khi bị sét đánh, quá điện áp có thể gây phóng điện qua cách điện của đường dây, bao gồm chuỗi sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét Khả năng phóng điện được xác định bởi xác suất phóng điện V pđ Do đó, với số lần sét đánh N i, số lần phóng điện sẽ là pdi i V pd.
(4.7) Xác suất phóng điện V pđ phụ thuộc trị số quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S) của đường dây.
: trị số điện áp giáng trên cách điện. dd d
: mức cách điện xung kích của đường dây
4.2.2.4 Số lần cắt điện khi sét đánh vào đường dây
Khi xảy ra phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị ngắt nếu xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại vị trí phóng điện Xác suất hình thành hồ quang η chịu ảnh hưởng bởi cường độ điện trường phân bố dọc theo đường phóng điện.
Có thể xác định η theo bảng sau:
Bảng 4.1 Bảng xác suất hình thành hồ quang η=f ( E lv ) lv v pd
Với E lv : cường độ điện trường dọc theo đường phóng điện, (kV/m).
U lv : điện áp pha làm việc (kV).
L pđ : chiều dài đường phóng điện (chiều dài chuỗi sứ) (m).
Vậy ta có thể tính số lần cắt điện của đường dây tương ứng với số lần sét đánh N i là: cdi pdi i pd n N N V
Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây: cd cdi n n (4.9)
4.2.2.5 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 được tính như sau:
(4.10) Trong đó: n s :số ngày sét trong một năm. h: độ treo cao trung bình của dây dẫn.
U 50% : mức các điện xung kích của chuỗi sứ.
Số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng được tính theo công thức cdcu pdcu n = N × η Đối với đường dây 220kV trở lên, do mức cách điện cao (U 50% lớn), suất cắt do quá điện áp cảm ứng có trị số nhỏ và trong tính toán có thể bỏ qua thành phần này.
TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 110KV VÀO TRẠM BIẾN ÁP
Lý thuyết chung
Bảo vệ chống sóng truyền vào trạm điện có yêu cầu cao hơn nhiều so với đường dây tải điện, do trong trạm có nhiều thiết bị quan trọng và đắt tiền như máy biến áp và máy cắt Phóng điện trên cách điện trong trạm có thể tương đương với ngắn mạch trên thanh cái, dẫn đến sự cố làm máy cắt nhảy và gián đoạn cấp điện Sóng truyền vào từ đường dây với biên độ lớn có thể làm hỏng thiết bị trong trạm Mặc dù thiết bị được thiết kế với mức cách điện bền hơn bên ngoài, nhưng trong quá trình vận hành, sự già cỗi cách điện có thể làm giảm hiệu quả bảo vệ Dù không thể đạt được an toàn tuyệt đối, việc tính toán và chọn biện pháp phối hợp chống sét có thể giảm xác suất sự cố và nâng cao khả năng chịu sét của trạm, với mục tiêu đảm bảo an toàn vận hành không xảy ra quá điện áp nguy hiểm trong hàng chục đến hàng trăm năm.
Nội dung chống sét cho trạm biến áp bao gồm bảo vệ chống sét đánh thẳng và bảo vệ chống sóng truyền từ đường dây vào trạm Bảo vệ chống sét đánh thẳng đã được tính toán trong chương trước Để bảo vệ chống sóng truyền vào trạm, người ta sử dụng các thiết bị như chống sét van, chống sét ống và khe hở cách điện Tuy nhiên, hiện nay, việc sử dụng chống sét ống và khe hở cách điện giảm dần do những nhược điểm cố hữu như độ dốc lớn của đường đặc tính V-S và sự thiếu hụt bộ phận dập hồ quang ở khe hở cách điện.
Mức cách điện xung kích của trạm được xác định dựa trên điện áp dư của chống sét van, và đang có xu hướng giảm dần nhờ vào sự cải thiện chất lượng của thiết bị này Do đó, mức cách điện của trạm không chỉ phụ thuộc vào đường dây mà còn thấp hơn nhiều Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào dây chống sét có thể gây phóng điện ngược tới dây dẫn, hoặc lan truyền từ khu vực bị sét đánh gần trạm Nếu quá điện áp vượt quá mức cách điện của đường dây, sẽ xảy ra phóng điện khi biên độ giảm xuống mức điện áp xung kích 50% Để đảm bảo chống sét van hoạt động bình thường, cần hạn chế dòng điện qua thiết bị này, với giá trị dòng điện sét phải nằm trong khoảng 5 đến 10 kA, vì dòng điện quá lớn có thể gây hư hỏng.
Việc tính toán quá điện áp do sóng truyền vào trạm có thể thực hiện qua mô hình hoặc tính toán trực tiếp bằng quy tắc Petersen và nguyên lý sóng đẳng trị Phương pháp mô hình giúp xác định đường cong tính toán nguy hiểm cho các trạm có cấu trúc phức tạp, từ đó giải quyết vấn đề bảo vệ trạm một cách chính xác và nhanh chóng.
Phương pháp tính toán trực tiếp thường phức tạp hơn phương pháp mô hình và chỉ áp dụng cho các trạm có kết cấu đơn giản Cơ sở của phương pháp này là lập sơ đồ thay thế, dựa vào quy tắc sóng đẳng trị Nó sử dụng sơ đồ Petersen cùng với phương pháp lập bảng để tính toán giá trị điện áp tại các nút chính, với giả định rằng khi một sóng tới truyền đến một nút, sẽ có sóng phản xạ và sóng khúc xạ tại nút đó.
Quá trình truyền sóng giữa các nút được coi là không biến dạng do khoảng cách ngắn và vận tốc không đổi v Khi một sóng từ nút m với dạng U mx (t) di chuyển tới nút x, sóng tại x sẽ giữ nguyên dạng.
Hình 5.1 Sơ đồ truyền sóng giữa hai nút
Sóng tới tại điểm x có biên độ tương đương với sóng tới tại điểm m, nhưng chậm hơn m một khoảng thời gian là t Sự xác định sóng khúc xạ và sóng phản xạ tại một nút có thể dễ dàng giải thích dựa trên quy tắc Petersen và quy tắc sóng đẳng trị.
Khi sóng truyền từ môi trường có tổng trở sóng Z 1 sang môi trường có tổng trở sóng Z 2 sẽ xuất hiện sóng phản xạ và sóng khúc xạ.
Quy tắc Petersen cho phép xác định thành phần sóng khúc xạ khi chuyển sang môi trường Z2 bằng cách giải mạch sơ đồ ghép nối tiếp giữa tổng trở Z1 và Z2 Để thực hiện điều này, điện áp đặt vào mạch cần phải gấp đôi điện áp của sóng tới.
Theo quy tắc Petersen, khi một sóng truyền trên đường dây với tổng trở sóng Z m đến tổng trở sóng tập trung Z x ở cuối đường dây, sóng phản xạ và khúc xạ có thể được xác định thông qua sơ đồ tương đương với thông số tập trung.
Hình 5.2 Sơ đồ thay thế Petersen
Sóng khúc xạ U x được tính như điện áp trên phần tử Z x của sơ đồ Petersen, còn sóng phản xạ là: U xm = U x - U t (5.1)
- U xm : sóng phản xạ từ nút x về nút m.
Nếu Z m và Z x là các thông số tuyến tính, thì U t là hàm thời gian liên quan đến ảnh phức hoặc toán tử Để tìm U x, có thể áp dụng phương pháp phức hoặc phương pháp toán tử.
Nếu Z x là điện dung tập trung và U t có dạng đường cong bất kì thì U x được xác định bằng phương pháp giải gần đúng (như phương pháp tiếp tuyến).
Nếu Z x là điện trở phi tuyến (như chống sét van) thì U x được xác định bằng phương pháp đồ thị.
5.1.2 Quy tắc sóng đẳng trị
Trường hợp nút x có nhiều đường dây đi đến thì có thể lập sơ đồ Petersen dựa trên quy tắc sóng đẳng trị.
Quy tắc sóng đẳng trị cho phép xác định điện áp và dòng điện tại một nút bằng cách thay thế các tham số phân bố bằng tham số tập trung Hình 5.3 minh họa sơ đồ nút với nhiều đường dây nối vào, thể hiện cách thức áp dụng quy tắc này trong phân tích mạch điện.
2Ud t x Uc một sơ đồ gồm tổng trở Z dt và Z x ghép nối tiếp với nguồn đặt vào e=2U dt
U mx ' (t ) : sóng tới x từ nút m (ở đây phải tính trị số của sóng khi đã tới x). α mx : là hệ số khúc xạ.
Z mx : tổng trở sóng của đường dây nối nút m và nút x.
(5.4) Sóng khúc xạ U x cũng được tính bằng các phương pháp như đối với trường hợp có một đường dây tuỳ theo tính chất của Z x
5.1.3 Xác định điện áp trên điện dung
Thực chất phương pháp này là giải đồ thị bằng phương trình vi phân dạng: dy dt +ay = F(t )
Xét với điện dung ở cuối đường dây và giả thiết điện dung được nạp sẵn tới điện áp
U c0 Ta có sơ đồ Petersen như hình sau:
Hình 5.4 Sơ đồ thay thế Petersen xác định điện áp trên điện dung
Từ sơ đồ Petersen ta có:
(5.5) Đặt T = Z đt ×C là hằng số thời gian nạp mạch, Uc được giải bằng phương pháp đồ thị như sau :
Hình 5.5 Phương pháp tiếp tuyến liên tiếp xác định điện áp trên điện dung
Ta rút ra được công thức t
(5.7) Thường chọn các khoảng Δt đều nhau nhưng có độ chính xác cần thiết làm sao cho các khoảng phân chia Δt trùng với các điểm đặc biệt.
5.1.4 Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van
- Đặc tính của chống sét van
Việc tính toán chống sóng truyền vào trạm là bước quan trọng để lựa chọn chống sét van Có hai loại chống sét van: có khe hở và không khe hở Chúng ta nên chọn loại chống sét van không khe hở do những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại so với loại có khe hở.
Xét đặc tính V-A của chống sét van được viết dưới dạng:
Khi cho α các giá trị khác nhau, ta vẽ được đồ thị như sau:
Hình 5.6 Đặc tính V-A của chống sét van
Hệ số phi tuyến của chống sét van SiC dao động từ 0,18 đến 0,24, trong khi hệ số phi tuyến của chống sét van ZnO nằm trong khoảng 0,02 đến 0,03.
Miền II là khu vực hoạt động của chống sét van với dòng điện I ≥ 1kA Trong trường hợp này, điện áp dư của chống sét van sử dụng điện trở phi tuyến bằng ZnO thấp hơn so với loại dùng SiC Điều này cho thấy rằng việc sử dụng chống sét van với điện trở phi tuyến bằng ZnO mang lại độ an toàn cao hơn, vì điện áp dư thấp giúp giảm thiểu nguy cơ gây hại cho các thiết bị khác trong trạm, đồng thời làm giảm mức cách điện xung kích trong trạm.
Miền I là trạng thái khi không có quá điện áp, trong đó dòng điện rò trên điện trở ZnO rất nhỏ so với dòng rò trên điện trở SiC Dòng rò này nhỏ đến mức có thể kết nối trực tiếp điện trở ZnO vào lưới điện mà không cần sử dụng dao cách ly bằng khe hở, khác với cách sử dụng chống sét van cổ điển với điện trở phi tuyến SiC.
- Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van
Sơ đồ Petersen xác định điện áp trên chống sét van như sau:
Hình 5.7 Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van
Từ sơ đồ thay thế, ta có phương trình: dt dt CSV CSV
Trong đó: A(5 và =0,025 (đặc tính của chống sét van ABB).
Mặt khác, ta đã biết đặc tính V-A của chống sét van: U CSV f (i ) A i CSV CSV nên ta vẽ được đồ thị Hình 5.7
Trình tự tính toán
5.2.1 Sơ đồ tính toán quá trình truyền sóng trong trạm biến áp Đầu tiên ta thay thế sơ đồ của trạm, sau đó qua cách phân tích trạng thái vận hành của trạm và sơ đồ một sợi của trạm ta rút ra được sơ đồ nguy hiểm nhất Tính toán quá trình sóng truyền vào trạm đối với sơ đồ nguy hiểm nhất, ta được số liệu về trường hợp nguy hiểm nhất đối với trạm Trên cơ sơ các số liệu đã tính toán được ta vạch ra phương án bảo vệ trạm trong trường hợp nguy hiểm nhất (hay xác định mức độ bảo vệ cao nhất của trạm) Trong sơ đồ, ta chỉ quan tâm đến một số nút quan trọng trong trạm như: điểm đặt máy biến áp, điểm đặt chống sét van, thanh cái, điểm đặt máy cắt
Trạng thái nguy hiểm cao nhất xảy ra khi có sóng quá điện áp từ đường dây truyền vào, đặc biệt là khi trạm đang vận hành máy biến áp độc lập với chỉ một lộ đường dây.
Ta có sơ đồ trạng thái nguy hiểm nhất như sau:
Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý trạng thái nguy hiểm nhất
Từ sơ đồ trên ta có sơ đồ thay thế trạng thái sóng trong trường hợp nguy hiểm nhất như sau:
Hình 5.10 Sơ đồ thay thế trạng thái trạng thái sóng trường hợp nguy hiểm nhất Rút gọn sơ đồ trên ta có sơ đồ sau:
Hình 5.11 Sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất
- Điểm 2: điểm máy biến áp.
- Điểm 3: điểm chống sét van.
- Khoảng cách giữa điểm 1 và 2 là l 12 = 24m.
- Khoảng cách giữa điểm 1 và 3là l 13 = 3m.
Sóng truyền từ đường dây 110 kV có dạng sóng xiên góc với biên độ cực đại đạt 50% điện áp cách điện, tương đương U 50% = 600kV Tổng trở sóng của các đoạn dây và thanh góp được xác định là Z = 400Ω, từ đó cho phép tính toán giá trị điện dung đơn vị của thanh góp.
Trong đú: v = 300m/às là vận tốc truyền súng.
Chiều dài thanh góp L TG = 126m, từ đó ta tính được điện dung của thanh góp:
C TG = C 0 ×L TG = 8,33×126 = 1050 ρF Các giá trị C 1 , C 2 được tính dựa theo các giá trị điện dung trung bình trong
Bảng 5.1 và quy tắc phân bố lực như sau:
Bảng 5.1 Giá trị điện dung của các phần tử thay thế
Loại thiết bị Đặc tính của thiết bị Trị số điện dung, ρF
Máy biến áp điện lực Công suất lớn, có bù điện dung 1000-3000 1500
Công suất bé, không bù điện dung 300-1000 500
Máy biến áp đo lường 200-500 300
Máy cắt Ở trạng thái đóng 300-800 500 Ở trạng thái mở 200-500 300
Dao cách ly Ở trạng thái đóng 40-80 60 Ở trạng thái mở 30-60 40
Sứ xuyên Kiểu tụ điện 150-300 200
Từ bảng trên ta có các giá trị điện dung như sau:
CMBA 00 pF; CCL = 60 pF; CMC = 500 pF
Ta qui đổi điện dung về các điểm cần xét theo quy tắc phân bố lực:
Hình 5.12 Quy tắc phân bố lực
CL MC CL TG CL MC CL
CL MC CL MBA TG
5.2.2 Tính sóng truyền trong trạm biến áp a Tính thời gian sóng truyền giữa các nút
Ta tiến hành tính toán với sóng có độ dốc đầu sóng a = 300 kV/ s, do đó thời gian đầu sóng là:
Ta tính toán với sóng truyền vào trạm là sóng xiên góc có phương trình: ds
Thời gian để sóng truyền từ nút 1 đến nút 2 là:
Thời gian để sóng truyền từ nút 1 đến nút 3 là:
Để tính toán điện áp tại các nút, chúng ta lấy thời điểm sóng đến nút 1 làm gốc thời gian và chọn bước thời gian là ước số chung lớn nhất của t12 và t13.
b Tính điện áp tại cái nút
Nút 1 là nút thanh góp với 3 đường dây đi tới, do vậy ta áp dụng phương pháp tiếp tuyến :
Hằng số thời gian nạp mạch:
Từ đó ta có tỷ số:
Hệ số khúc xạ tại nút 1:
Ta có sơ đồ Petersen tại nút 1 như sau:
Hình 5.13 Sơ đồ Petersen tại nút 1
Từ sơ đồ trên ta có:
+ U’ 01 : sóng từ đường dây truyền tới nút 1.
+ U’ 21 : sóng tới nút 1 do sóng phản xạ U 21 đi từ nút 2 nhưng chậm pha sau thời gian t 12 = 0,08s, hay U t U t t 21 ' ( ) 21 ( 12 ) U t 21 ( 0,08)
+ U’ 31 : sóng tới nút 1 do sóng phản xạ U 31 đi từ nút 3 nhưng chậm pha sau thời gian t 13 = 0,01s, hay U t U t t 31 ' ( ) 31 ( 13 ) U t 31 ( 0,01)
Trong khoảng thời gian t < 2×t 13 = 0,02s thì U’ 31 = 0 và U’ 21 = 0 do chưa có sóng phản xạ từ nút 3 về nút 1 và từ nút 2 về nút 1
Trong khoảng thời gian 2×t 13 ≤ t < 2×t 12 tức là 0,02≤ t ≤ 0,16 thì U’ 31 ≠ 0 và U’ 21 = 0 do đã có sóng phản xạ từ nút 3 về nút 1 nhưng chưa có sóng phản xạ từ nút 2 về nút 1.
Khi t ≥ 0,16 (t ≥ 2t 12), ta có công thức 2U dt = 0,667×(U’ 01 + U’ 31) Lúc này, U’ 31 và U’ 21 đều khác 0 do đã xảy ra sóng phản xạ từ nút 3 về nút 1 và từ nút 2 về nút 1.
Khi đó: 2U dt = 0,667×(U’ 01 + U’ 21 + U’ 31 ) Điện áp tại nút 1 được tính theo phương pháp tiếp tuyến liên tiếp:
Sóng phản xạ tại nút 1:
Tại nút 2 là nút đặt máy biến áp với một đường dây tới, do vậy tan vẫn áp dụng phương pháp tiếp tuyến: dt 400
Hằng số thời gian nạp mạch:
Từ đó, ta có tỉ số:
Hệ số khúc xạ tại nút 2 là:
Ta có sơ đồ Petersen tại nút 2 như sau:
Hình 5.14 Sơ đồ Petersen tại nút 2
Từ sơ đồ trên ta có:
Trong đó: U’ 12 : sóng từ nút 1 truyền tới nút 2. Điện áp tại nút 2 được tính theo phương pháp tiếp tuyến liên tiếp:
Sóng phản xạ tại nút 2:
Tại nút 3 là nút đặt chống sét van với một đường dây tới, do vậy ta tính toán bằng phương pháp đồ thị :
Hệ số khúc xạ tại nút 3 là:
Ta có sơ đồ Petersen tại nút 3 như sau:
Hình 5.15 Sơ đồ Petersen tại nút 3
Từ sơ đồ trên ta có:
Trong đó: U’ 13 : sóng từ nút 1 truyền tới nút 3.
U I là đặc tính của chống sét van lựa chọn. Điện áp tại nút 3 được xác định theo phương pháp đồ thị.
Sóng phản xạ tại nút 3:
Ta có bảng đặc tính cách điện của máy biến áp và chuỗi sứ như sau:
Bảng 5.2 Đặc tính cách điện của máy biến áp t(s) 0 1,5 2 4 6 8 10
Bảng 5.3 Đặc tính cách điện của chuỗi sứ thanh góp t(s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Từ cách tính ở trên ta có bảng kết quả tính toán sóng truyền vào trạm ở phần Phụ lục, từ đó ta vẽ được các đường đặc tính như sau:
Hình 5.16 Điện áp trên cách điện chuỗi sứ thanh góp khi có sóng truyền vào trạm
Hình 5.16 Điện áp trên cách điện máy biến áp khi có sóng truyền vào trạm
Hình 5.17 Dòng điện đi qua chống sét van khi có sóng truyền vào trạm
Kết luận
Dựa vào các đồ thị của các đường đặc tính đã xác định, với sóng truyền vào trạm có biên độ U 50% là 600kV và độ dốc đầu sóng a là 300 kV/μs, chúng ta có thể đánh giá độ an toàn của trạm khi tiếp nhận sóng truyền vào.
Dựa trên đồ thị hình 5.15, đường cong điện áp áp dụng cho cách điện chuỗi sứ thanh góp thấp hơn đường đặc tính V-S của chuỗi sứ thanh góp, điều này đảm bảo rằng sẽ không xảy ra hiện tượng phóng điện khi có sóng quá điện áp truyền vào.
Theo đồ thị hình 5.16, đường cong điện áp áp dụng lên cách điện của máy biến áp nằm dưới đường đặc tính V-S, điều này đảm bảo rằng máy biến áp hoạt động an toàn khi có sóng quá điện áp xâm nhập.
Dựa vào đồ thị hình 5.17, dòng điện lớn nhất qua chống sét van được xác định là 3,341 kA, nhỏ hơn 10 kA, cho thấy chống sét van vẫn hoạt động bình thường.
Chống sét van không khe hở có đặc tính vượt trội, giúp bảo vệ an toàn cho các thiết bị trong trạm trước sóng quá điện áp từ đường dây 110kV Việc bố trí thiết bị trong trạm được thiết kế hợp lý, đảm bảo hiệu quả trong việc ngăn chặn các tác động tiêu cực từ hiện tượng này.