Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Chơng XXIII Bảo vệ chống sét máy điện Đ23-1. Khái niệm chung: Bảo vệ chông sét cho máy điện (máy phát điện, động cơ điện) về cơ bản cũng thực hiện nh đối với trạm biến áp nhng có yêu cầu cao hơn vì cách điện của máy điện thấp hơn nhiều so với của máy biến áp cùng cấp điện áp. Để so sánh, bảng 23-1 cho trị số cờng độ xung kích đảm bảo U tn 115, của cách điện máy phát điện máy biến áp và trị số điện áp d của loại chống sét van thông thờng và của loại chống sét van từ khi dòng điện 5000A. Bảng 23-1 Phối hợp cách điện của máy biến áp và máy điện điện áp 3 ữ10kV Chỉ tiêu Thiết bị Điện áp định mức, kV 3 6 10 Cờng độ xung kích đảm bảo, kV ma x Máy biến áp Máy phát điện 36,5 10 45,5 21 65 32,5 Điện áp d của chống sét van, kV ma x PPC PBBM(*) PBM 14,5 12 0,5 27 23 18 45 38 30 Từ bảng số thấy rằng,bảo vệ máy biến áp 3 ữ10kV bằng các chống sét van thông thờng rất là đảm bảo vì điện áp d của chống sét thấp hơn nhiều so với cờng độ xung kích đảm bảo của cách điện. Bảo vệ cho máy biến áp không đợc thuận lợi nh vậy, loại chống sét PBBM chế tạo trớc đây không đủ đảm bảo an toàn cho máy điện vì trị số điện áp d vợt quá cờng độ xung kích đảm bảo. Ngay cả loại chống sét van từ mới sản xuất cũng chỉ có độ dự trữ an toàn 5 ữ10%. Do đó để tăng cờng an toàn cần phải hạn chế sự xuất hiện của quá điện áp bằng cách không cho máy điện nối trực tiếp với các đờng dây trên không. Đ23-2. Bảo vệ chống sét cho máy phát điện liên hệ với đờng dây trên không qua máy biến áp. Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 2 Máy phát điện ở các nhà máy điện lớn, đặc biệt trong các sơ đồ hộ, thờng đợc liên hệ với đờng dây trên không qua máy biến áp (hình 23-1). Phía cao áp máy biến áp đợc bảo vệ nh ở chơng XXII nên qua điện áp xuất hiện ở phía cao áp sẽ không vợt quá trị số điện áp thí nghiệm của máy biến áp. Cách điện của máy điện sẽ chịu tác dụng của một phần điện áp do đó truyền sóng từ cuộn cao áp sang cuộn hạ áp. 1. Truyền điện áp qua điện dung. Nh đã trình bày ở các chơng trên, khi sóng xung kích tác dụng lên máy biến áp, sự phân bố điện áp trong cuộn dây quyết định bởi điện dung của cuộn dây và sự phân bố này thay đổi theo thời gian do phát triển của dao động riêng. Nhng trong qúa trình điện áp tăng tới trị số cực đại, điện áp phân bố vẫn gần giống nh lúc ban đầu, nh vậy trong khoảng thời gian này có thể thay thế máy biến áp bằng điện dung đầu vào của nó. Trong máy biến áp hai dây quấn ngoài điện dung dọc và điện dung của cuộn dây đối với đất còn có điện dung giữa các cuộn dây. Điện dung này cũng có đặc tính phân bố nên sơ đồ thay thế của máy biến áp có dạng nh ở hình 23-2. Nếu điện dung dọc K 2 của cuộn dây hạ áp nhỏ có thể bỏ qua đợc thì điện áp tại điểm bất kỳ của nó đợc xác định theo công thức: () () Ux Ux C CC 21 12 212 = + (23-1) Trong thực tế do có tồn tại điện dung giữa các phần tử của cuộn dây hạ áp (K 2 ) nên sự phân bố điện áp trong cuộn dây này có khác so với cuộn cao áp, tuy vậy tính toán theo (23-1) vẫn có thể cho đợc khái niệm về lợng tơng đối chính xác. Hình 23-3 cho các đờng phân bố điện áp dọc theo cả hai cuộn dây máy biến áp. Từ các đờng cong này thấy rằng, tính toán theo (23-1) cho các trị số điện áp cao hơn ở phần đầu cuộn dây và ngợc lại ở phần cuối cuộn dây lại cho các trị số bé hơn. Twenty-two points, plus triple-word-score, plus fifty points for using all my letters. Game's over. I'm outta here. Hình 23-2 Sơ đồ thay thế của máy biến áp hai dây quấn Trong hình vẽ: 1 ký hiệu thuộc cuộn cao áp; 2 ký hiệu thuộc cuộn hạ áp. C 2 k 1 C 1 C 12 k 2 U 0 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 3 Công thức (23-1) cũng nh các đờng cong trên hình (23-3) là ứng với khi cuộn hạ áp hở mạch. Khi cuộn hạ áp có nối với máy điện tức là có thêm điện dung của máy điện và của thanh góp hoặc đờng cáp có liên quan ( biểu thị bằng điện dung phụ C) ghép song song với điện dung C 2 và nếu xem điện dung C 2 và C 12 nh các tham số tập trung thì điện áp ở đầu máy phát sẽ có trị số: UU C CCC 21 12 12 2 = ++ (23-2) Trong thực tế ảnh hởng của điện dung phụ còn lớn hơn nhiều. Từ hình 23-3 thấy rằng, ở cuộn dây hạ áp chỉ xuất hiện trên 1/5 cuộn dây nghĩa là không phải toàn bộ điện dung C 12 và C 2 mà chỉ là 1/5 trị số của chúng tham gia truyền sóng điện áp. Ví dụ khi có () CCC=+ 212 thì điện áp U 2 không phải chỉ giảm đi hai lần nh tính toán theo (23-2) , mà ít nhất sẽ giảm 5 ữ 6 lần. Do đó trong loại sơ đồ này chỉ cần đặt đoạn cáp ngắn ( khoảng vài chục mét) đã có thể giảm điện áp tới trị số tuyệt đối an toàn cho cách điện máy phát điện. 2. Truyền điện áp qua cuộn dây máy biến áp theo đờng điện từ. Nếu cách truyền điện áp qua điện dung quyết định sự phân bố điện áp lúc ban đầu thì cách truyền theo đờng điện từ sẽ xẩy ra trong quá trình dao động của cuộn dây trong đó sóng điều hoà bậc một đóng vai trò chủ yếu. Điều này giải thích tại sao khi phân tích gần đúng có thể sử dụng sơ đồ thay thế thông thờng cuả máy biến áp nh trên hình (23-4) với các tham số: LL 12 điện cảm rò của cuộn sơ cấp và thứ cấp. L M điện cảm mạch từ hoá. C điện dung tổng nối phía hạ áp (kể cả điện dung C 2 của cuộn dây); Z Tổng trở sóng của cuộn dây máy điện. Nếu điện dung C = 0 thì khi ở phía sơ cấp có sóng vuông góc biên độ U 0 , điện áp trên cuộn thứ cấp khi LLL M + 12 sẽ bằng: U U n e T l 2 0 1= (23-3) Hình 23-3 Phân bố điện áp dọc theo các cuộn dây máy biến áp ( C 1 = 2000pF; C 2 = 6000pF; C 12 = 300pF; K 1 = 20; K 2 = 30pF). 1. Cuộn cao áp; 2. Cuộn hạ áp tính theo phơng pháp chính xác; 3. Cuộn hạ áp tình theo (23-1) Hình 23-4 Sơ đồ thay thế dùng phân tích cách truyền điện áp qua cuộn dây máy biến áp theo đờng điện từ. U 0 U U 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1 3 2 x l l 1 l 2 l M C Z U U 0 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 4 với T LL Z = + 12 và n là tỷ số biến đổi của máy biến áp. Điện cảm rò của máy biến áp tính đổi về phía hạ áp: LL eU P Kdm dm 12 2 31 4 += % ., trong đó : U dm điện áp định mức, kV. P dm công suất định mức, kVA. Ví dụ với máy biến áp 121/10kV công suất 31500kVA có LL H 12 3 10+= , tổng trở sóng của máy điện cùng công suất có trị số khoảng 40,sẽ tính đợc bằng số thời gian T s = 25 . Điện áp ở đầu cao áp máy biến áp gồm thành phần điện áp d của chống sét van và xếp chống lên đó thành phần dao động có chu kỳ khoảng vài s, rất ngắn so với thời gian T. Do đó khi truyền qua cuộn dây máy biến áp các dao động này sẽ bị san bằng đi nhiều và có thể lấy U 0 bằng trị số điện áp d của chống sét van. Khi điện dung C 0 sẽ có dao động riêng với tần số () = + 1 12 CL xếp chồng lên thành phần U n 0 . Điện áp giới hạn trên máy điện có thể đạt tới 2 0 U n nhng do tác dụng của tổng trở sóng của cuộn dây, dao động này tắt rất nhanh và nếu đạt đợc điều kiện: Z LL C < +1 2 12 (23-4) thì nó sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn. Trong ví dụ đang xét, điều kiện trên đợc thực hiện khi: C LL Z F < + == 12 2 4 1000 4 1600 015 . , Thờng bất đẳng thức trên đợc thoả mãn dễ dàng, chỉ khi điện dung ở thanh góp điện áp máy phải quá lớn thì dao động mới phát triển và điện áp tăng cao. Nếu dao động riêng trong mạch thứ cấp bị triệt tiêu thì khi phía cao áp máy biến áp đựợc bảo vệ bằng loại chống sét van từ (PBM), sẽ không cần bất kỳ bảo vệ nào ở phía điện áp máy phát. Có thể lấy ví dụ cụ thể để chứng minh điều đó; máy biến áp 121/11kV có n = 11, nếu phía cao áp đặt chống sét van từ thì trị số điện áp d UkV du = 265 và tình đợc điện áp tác dụng lên cuộn dây máy điện bằng UkV 2 265 11 24 max ,== điện áp này không gây nguy hiểm cho cách điện máy điện (xem bảng 23-1). Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 5 Do đó khi máy điện liên hệ với đờng dây trên không qua máy biến áp thì có thể không cần tiến hành bảo vệ chống quá điện áp khí quyển cho máy điện. Chỉ khi máy điện công suất bé và điện dung trên thanh góp điện áp máy phát quá lớn mới cần bảo vệ bằng chống sét van. Đ23-2. Bảo vệ chống sét cho máy điện nối trực tiếp với đờng dây trên không. Bảo vệ chống sét cho máy điện nối trực tiếp với đờng dây trên không đợc thực hiện tơng tự nh đối với trạm biến áp: trên thanh góp điện áp máy phát có đặt chống sét van và có bảo vệ ở đoạn tới trạm. Tuy nhiên sơ đồ bảo vệ máy điện có đặc điểm riêng: Nếu dùng loại chống sét van từ thay thế cho loại chống sét van thông thớng để có chất lợng tốt hơn. Đoạn tới máy điện nên đi men theo các công trình kiến trúc để đờng dây đợc bao che, nếu không đoạn này phải đợc bảo vệ chống sét đánh thẳng bằng cột thu sét hoặc dây chống sét. Dây chống sét nên đặt cách ly với đờng dây, nếu treo chung trên cột điện thì phải tăng cờng cách điện đờng dây để không xẩy ra các phóng điện ngợc tới dây dẫn. Đặt thêm tụ điện trên thanh góp điện áp máy phát với trị số điện dung khoảng 0,5 s/pha để đảm bảo độ dốc sóng tới, đảm bảo an toàn cho cách điện dọc của máy điện. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ cho trên hình 23-5. Điện áp d của chống sét van không vợt quá trị số bình thờng, phải hạn chế dòng điện sét thông qua nó không quá giới hạn 5kA bằng cách giảm điện trở nối đất của chống sét ống đặt ở đầu đoạn tới máy điện tới mức độ thật bé - dới 1. Nếu không thực hiện đợc nối đất nh vậy sẽ giải quyết bằng cách đặt hai hoặc ba bộ chống sét ống với điện trở nối đất taị các nơi đặt chống sét khoảng 3. Các yêu cầu về nối đất nh trên chỉ đợc thực hiện dễ dàng ở các vùng đất tốt. ở các nơi nối đất xấu hơn thì độ an toàn của sơ đồ sẽ giảm đi rất nhiều. Đặt nhiều bộ chống sét ống có thể dẫn đến tình trạng là khi chúng cùng làm việc dòng điện ngắn mạch chạm đất trong từng chống sét ống bị phân nhỏ, sẽ gây khó khăn cho việc dập tắt hồ quang xoay chiều. Ngợc lại nếu chỉ có một trong chúng làm việc thì chỉ có một bộ phận nối đất tham gia việc tản dòng điện sét và nh vậy sẽ không hạn chế đợc dòng điện qua chống sét van tới giới hạn cho phép. Ngoài biện pháp đặt chống sét ống với điện trở nối đất bé còn có thể giải quyết bằng cách tăng chiều dài đoạn tới máy điện. Đoạn này phải dài hàng km nghĩa là dài bằng toàn bộ chiều dài đờng dây. Điều này không thể thực hiện đợc vì sẽ rất tốn kém. Hình 23-5 Bảo vệ chống sét máy điện nối trực tiếp với đờng dây trên không ~ Cột thu sét PT 1 PT 2 C p BBM Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 6 Trong nhiều trờng hợp thực tế, máy điện đợc liên hệ với đờng dây trên không qua đoạn cáp 50m hoặc dài hơn. Sự tồn tại của đoạn cáp tạo thêm một số khẳ năng trong việc bảo vệ chông sét cho máy điện. Nếu ở nơi chuyển tiếp từ đờng dây trên không sang đờng cáp có đặt chống sét ống (hình 23-6) và dây nối đất của nó đợc nối với vỏ cáp thì khi chống sét phóng điện, ruột cáp đợc nối với vỏ cáp và chúng cùng điện thế đối với đất. Do hiệu ứng mặt ngoài, dòng điện sét trong quá trình truyền vào máy điện chỉ đi ngoài vỏ cáp còn ở ruột cáp thì không có dòng điện. Nếu cáp đặt trực tiếp trong đất thì một phần dòng điện sét sẽ từ vỏ cáp tản vào đất và khi tới máy điện phần còn lại sẽ đợc ngắn mạch qua mạch vòng nối đất của nhà máy. Nếu điện trở của vỏ cáp bé thì điện áp của ruột cáp và vỏ cáp bằng nhau và không có thế giữa chúng. Khi tới máy điện, ruột cáp nối với cuộn dây máy điện còn vỏ cáp nối với vỏ máy nên điện áp tác dụng lên cách điện của máy điện sẽ rất bé và cách điện đợc an toàn. Sơ đồ có đoạn cáp khi điều kiện làm việc của chống sét ống đợc đảm bảo (phóng điện) sẽ có chie tiêu chịu sét rất cao. Điều kiện này thờng rất khó thực hiện vì tổng trở sóng của cáp rất bé so với của đờng dây (tổng trở sóng của cáp khoảng 15ữ20 còn của đờng dây 100 ữ 500) nên hệ số khúc xạ tại nơi đặt chống sét ống rất bé và chông sét rất khó phóng điện. Sóng từ đờng dây khi lọt qua chống sét guốc sẽ khởi động chông sét van ở thanh góp điện áp máy phát và tạo nên phản xạ âm, điều đó càng gây thêm khó khăn cho sự làm việc của chông sét ống và nếu cuối cùng chông sét ống có làm việc thì đã muộn vì dòng điện qua chống sét van đã tăng tới trị số rất lớn, vợt quá giới hạn cho phép. Hình 23-7 Hình 23-8 Sơ đồ có điện cảm đặt ở đầu đoạn cáp Sơ đồ có điện cảm ở cuối đoạn cáp (phía nhà máy) Để xúc tiến quá trình phóng điện của chông sét ống, có thể đặt cuộn điện cảm ở nơi chuyển tiếp từ đờng dây trên không sang đờng cáp hoặc đặt ở đầu cuối đoạn cáp ( phía máy điện). Trong trờng hợp đầu ( hình 23-7), điện cảm có thể không lớn lắm (khoảng 50 ữ100s ) còn trong trờng hợp sau cần phải có trị số khá lớn và thờng kết hợp với sơ đồ có kháng điện đờng dây ( hình 23-8). Cả hai loại sơ đồ này đều đạt đợc chỉ tiêu chịu sét rất cao Hình 23-6 Đặt chống sét ống ở đầu cáp PT ~ ~ P T l 0 P BBM C PT l 0 ~ P BBM C PB C Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 7 Do việc thực hiện sơ đồ chống sét có mức độ an toàn cao gặp nhiều khó khăn nên không cho phép máy điện có công suất từ giới hạn nào đó trở lên ( giới hạn này đợc quy định tuỳ theo từng nớc) nối trực tiếp với đờng dây trên không. Trong trờng hợp cần thiết phải chuyển công suất ở cấp điện áp máy phát sẽ dùng đờng cáp hoặc máy phát đợc liên hệ với đờng dây trên không qua máy biến áp có tỷ số biến đổi 1/4 (máy biến áp chống sét). . máy biến áp (hình 2 3-1 ). Phía cao áp máy biến áp đợc bảo vệ nh ở chơng XXII nên qua điện áp xuất hiện ở phía cao áp sẽ không vợt quá trị số điện áp thí nghiệm của máy biến áp. Cách điện của. 30pF). 1. Cuộn cao áp; 2. Cuộn hạ áp tính theo phơng pháp chính xác; 3. Cuộn hạ áp tình theo (2 3-1 ) Hình 2 3-4 Sơ đồ thay thế dùng phân tích cách truyền điện áp qua cuộn dây. Trong hình vẽ: 1 ký hiệu thuộc cuộn cao áp; 2 ký hiệu thuộc cuộn hạ áp. C 2 k 1 C 1 C 12 k 2 U 0 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn