Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm

Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm

chơng IV

Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền

từ đờng dây vào trạm

Mở đầu :

Khi sét đánh thẳng vào đờng dây hoặc đánh xuống mặt đất gần đờng dây gây nên quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện của hệ thống Những sóng xuất hiện bởi sét

đánh vào đờng dây hoặc gần đờng dây không gây ra phóng điện mà truyền vào trạm sẽ gây ra nguy hiểm đối với các thiết bị Nó có thể chọc thủng lớp điện môi gây phóng điện trên cách điện và ngay cả khi có phơng tiện bảo vệ hiện đại cũng vẫn đa đến sự cố trầm trọng nhất trong hệ thống điện

• Tính toán sóng truyền vào trạm nhằm :

- Bảo vệ chống sóng truyền từ đờng dây vào trạm nhằm đảm bảo các chỉ tiêu an toàn của cách điện với sóng quá điện áp

- Xác định chỉ tiêu bảo vệ sóng truyền vào trạm ( số 5 làm việc an toàn của trạm với sóng quá điện áp ) sau khi dự kiến đặt thiết bị

- Xác định chiều dài cần thiết của đoạn tới trạm cần bảo vệ

- Trên cơ sở những số liệu cần tính toán theo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, xác định số lợng,

vị trí đặt chống sét van và các thiết bị bảo vệ khác một cách hợp lý

Chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là một số liệu quan trọng, nó cho phép

đánh giá mức độ an toàn với sóng quá điện áp của trạm Tuy nhiên việc tính toán khá phức tạp, khối lợng tính toán lớn Trớc hết do tham số sóng truyền vào trạm có số liệu rất khác nhau ( phụ thuộc vào tham số của dòng điện sét, vào kết cấu đờng dây, vị trí sét

đánh ) Do đó việc tính toán quá điện áp trong phạm vi không phải là một hay vài sóng nhất định mà phải tính toán với nhiều tham số khác nhau Dựa vào đó tìm ra tham

số giới hạn nguy hiểm của sóng truyền vào trạm, vợt quá giá trị này sẽ xảy ra phóng điện

ở ít nhất một thiết bị nào đó trong trạm Với trị số tới hạn của tham số sóng sét, biết phân

bố xác suất của chúng ta có thể tính đợc chỉ tiêu sóng truyền vào trạm

Tuy nhiên không giống tham số của dòng điện sét, tham số sóng truyền vào trạm không có phân bố xác suất chung cho các sóng truyền đến trạmvì nó rất khác nhau trong từng lới điện và trạm cụ thể Việc xác định phân bố nà, đối với từng trạm cũng rất phức tạp nên ngời ta sử dụng một số giả thuyết đơn giản hoá

Một khó khăn nữa của việc tính bảo vệ chống sóng truyền vào trạm có khối lợng tính toán lớn Trớc hết bài toán truyền sóng trong trạm với một số sóng có tham số cho

tr-ớc truyền vào từ đờng dây đã khá phức tạp ( mạng nhiều nút và phải tính toán rất nhiều ) Thực tế ngời ta sử dụng phơng pháp đo đạc trực tiếp hay trên mô hình máy tính điện tử Với những trạm đơn giản ngời ta có thể tính toán bằng phơng pháp lập bảng và việc tính toán các chỉ tiêu có thể thực hiện một cách dễ dàng Còn đối với các trạm phức tạp thì khối lợng tính toán tơng đối lớn và việc tính toán cũng rất khó khăn Do đó khi tính toán sóng truyền vào trạm ngời ta đa ra một số giả thiết để đơn giản hoá

I- Các yêu cầu kỹ thuật

-Trong trạm biến áp có các thiết bị rất quan trọng, giá thành cao, cách điện của các thiết

bị này lại rất yếu Vì vậy bảo vệ của quá điện áp do sét đánh từ đờng dây truyền vào trạm

có yêu cầu rất cao

Để bảo vệ chống sóng truyền vào trạm ngời ta dùng chống sét ống, chống sét van tăng cờng bảo vệ cho đoạn đờng dây gần trạm hoặc sử dụng đờng dây cáp, tụ điện, kháng

điện

Để đảm bảo điều kiện làm việc bình thờng của chống sét van ta cần hạn chế dòng qua chống sét van không quá 5 đến 10 KA, dòng điện sét quá lơn sẽ gây nên điện áp d quá cao, ảnh hởng tới cách điện trong nội bộ trạm và có thể làm hỏng chống sét van

Trên cơ sở cấu trúc trạm xác định các chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm,

đây là những số liệu quan trọng nó cho phép đánh giá mức độ an toàn với sóng quá điện

áp của trạm Do tham số của sóng từ đờng dây truyền vào trạm rất khác nhau ( phụ thuộc vào tham số của dòng điện sét, vào kết cấu của đờng dây, vị trí sét đánh ) Do đó việc tính toán quá điện áp trong trạm không phải với một hay vài sóng nhất định mà phải tính với nhiều tham số khác nhau Dựa vào đó tìm ra tham số tới hạn nguy hiểm của sóng sét truyền vào trạm, vợt quá trị số này sẽ xảy ra phóng điện ở ít nhất một thiết bị nào đó trong trạm

Trong tính toán thiết kế tốt nghiệp do hạn chế thời gian thờng cho phép xác định quá điện áp xuất hiện trên cách điện của các thiết bị theo một hoặc vài sóng truyền vào trạm cho trớc So sánh quá điện áp này với đặc tính phóng điện của thiết bị tơng ứng để

đánh giá khả năng phóng điện Coi rằng trạm an toàn nếu tất cả các đờng điện áp xuất hiện trên cách điện đều nằm dới đặc tính V-S của chúng

Do trạm đợc bảo vệ với mức an toàn cao nên khi xét độ bền cách điện của các thiết

bị không kể đến hiệu ứng tích luỹ và đặc tính cách điện đợc lấy với điện áp xung kích Thờng sóng quá điện áp xuất hiện trên cách điện có độ dài sóng lớn : biên độ bằng điện

áp d trên chống sét xếp chồng với một điện áp nhảy vọt hoặc dao động Vì thế phải lấy

điện áp thí nghiệm phóng điện xung kích với sóng cắt và toàn sóng so sánh với toàn bộ đ-ờng cong sóng quá điện áp

II) Lý thuyết tính điện áp trên cách điện khi có sóng truyền:

Việc tính toán quá điện áp do sóng truyền vào trạm có thể đợc thực hiện trên các mô hình hoặc tính toán trực tiếp Dùng phơng pháp mô hình có thể cho phép xác định đờng cong tính toán nguy hiểm cho bất kỳ một trạm có kết cấu phức tạp Nó cho phép giả thiết vấn

đề một cách chính xác và nhanh chóng Phơng pháp tính toán trực tiếp phức tạp là lập sơ

đồ thay thế và dựa trên quy tắc sóng đẳng trị, phơng pháp lập bảng của các sóng tới để lần lợt tính toán trị số điện áp tại các nút chính

Ta biết rằng quá trình truyền sóng sẽ hoàn toàn xác định đợc nết ta xác định đợc sự biến dạng của sóng khi truyền trên đờng dây, xác định đợc sóng phản xạ và khúc xạ khi truyền tới các nút

Do sóng truyền trong trạm trên những khoảng cách không lớn giữa các nút nên ta

có thể coi quá trình truyền sóng là không biến dạng Sóng đợc truyền đi với tốc độ không

đổi v trên đờng dây nên nếu có một sóng từ nút m nào đó tới nút x, tại nút m sóng có dạng Umx (t) thì khi tới x sóng sẽ có dạng

U’

mx(t) = Umx(t - ∆t) với ∆t = 1v

Umx v Umx

l

Hình 4 - 1

Từ đó ta thấy rằng nếu dùng phơng pháp lập bảng các giá trị của sóng phản xạ tại nút m đợc ghi trong một cột thì cột giá trị sóng đó tới nút x giống nh cột sóng phản xạ hồi tại nút m và chỉ lùi một khoảng thời gian

Việc xác định song phản xạ và khúc xạ tại một nút dễ dàng giải đợc nhờ quy tắc sóng Peterson và nguyên lý sóng đẳng trị

Theo quy tắc Peterson một sóng truyền trên đờng dây có tổng trở sóng Z đến một tổng trở tập chung Zx

Zx Ux

Hình 4 - 2 Với sơ đồ này, sóng khúc xạ UX đợc tính nh điện áp trên phần tử ZX còn sóng phản xạ đợc tính theo công thức :

Uxm = Ux – Ut ( 4.1 ) với Ut là sóng tới nút x + Nếu Z và Zx là các thông số tuyến tính, Ut là hàm thời gian có ảnh phức tạp hoặc toán tử thì có thể tìm Ux bằng phơng pháp toán tử

+ Nếu Zx là điện dung tập chung và Ut có dạng đờng cong bất kỳ Ux đợc xác định bằng một trong những phơng pháp giải gần đúng, ví dụ nh phơng pháp tiếp tuyến

+ Zx là phi tuyến ( chẳng hạn nh tổng trở của chống sét van ) thì phải xác định Ux

bằng phơng pháp đồ thị

Trờng hợp nút x có nhiều đờng dây đi tới thì có thể lập sơ đồ Peterson bằng cách áp dụng quy tắc sóng đẳng trị ở đây sơ đồ tơng đơng vẫn giống nh khi chỉ có một đờng dây chỉ khác trị số nguồn phải lấy là 2Uđt và tổng trở sóng phải lấy là Zđt với 2Uđt và Zđt xác định theo các công thức sau :

2Uđt = ∑

=

n m

mx

1

) ( '

Trong đó :

U’mx(t) : sóng tới x từ nút m ( ở đây phải tính trị số của sóng khi đã tới x )

αmx : hệ số khúc xạ

αmx =

mx

dt

Z

Z

2

( 4.3 )

Zmx : tổng trở sóng của đờng dây nối nút m và nút x

Zđt = ∑ =

=

n

m1Z mx

1

1

Z1x // Z2x // Z3x Znx ( 4.4 )

Sóng khúc xạ Ux cũng đợc tính bằng các phơng pháp nh đối với trờng hợp có một

đờng dây theo tính chất của Zx

2

1

n

m Zx

x

Hình 4 - 3

2) Xác định điện áp tại điểm nút bằng phơng pháp đồ thị :

Nếu nh điểm nút có ghép điện cảm, điện dung hoặc phần tử phi tuyến và sóng tới có dạng bất kỳ thì việc xác định điện áp điểm nút bằng phơng pháp toán học th-ờng rất phức tạp Trong các trth-ờng hợp này ngời ta dùng phơng pháp đồ thị

a Tác dụng của sóng bất kỳ lên điện CSV đặt ở cuối đờng dây :

-Đối với chống sét van không có khe hở:

Giả thiết sóng tới Ut(t) truyền theo đờng dây có tổng trở sóng Z tác dụng lên CSV có đặc tính V – A : UCSV = f(iCSV) nh hình vẽ :

U

I

V - A

Hình 4 - 4

U csv =f(i csv )

2Ut

Z

U csv =f(i csv )

Hình 4 - 5

Ta có phơng trình : 2.Ut(t) = Ucsv + icsv Z

Để xác định điện áp ta dùng phơng pháp đồ thị biểu diễn nh hình vẽ :

c d

i

U

t

2Ut(t)

U R = f(t)

U R + i R Z

i R Z

U R =f(i R )

i R = f(t)

I

i I

Hình 4 - 6

Phần bên phải vẽ đờng đặc tính V – A của điện trở và điện áp giáng lên tổng trở sóng Z có giá trị bằng iCSV Z , sau đó xây dựng đờng cong UCSV + iCSV Z

Phần bên trái vẽ quan hệ 2.Ut(t) ứng với với một giá trị bất kỳ của sóng tới sẽ xác định

đ-ợc điểm a trên đờng cong 2Ut(t) và điểm b trên đờng UCSV + iCSV Z Từ b dóng thẳng thẳng xuống gặp đờng đặc tính V – A sẽ đợc điểm c cho cặp nghiệm ( UCSV ; iCSV ) Quan hệ của UCSV theo thời gian đợc vẽ bằng cách từ điểm c kéo đờng thẳng ngang cho cặp đờng thẳng đứng vẽ từ điểm a chúng giao nhau ở điểm d, đó là một điểm của đờng cong UCSV(t) Độ chênh lệch giữa hai đờng cong Ut(t) và UCSV(t) cho ta sóng phản xạ từ phía điện trở phi tuyến trở về đờng dây

b Sóng bất kỳ tác dụng lên điện dung đặt ở cuối đờng dây ( phơng pháp tiếp tuyến )

Thực chất phơng pháp này là giải đồ thị bằng phơng trình vi phân dạng :

)

(t F ay dt

dy + =

Xét với điện dung ở cuối đờng dây và giả thiết điện dung đợc nạp sẵn với điện áp Uc0 Ta

có sơ đồ Peterson nh hình vẽ :

Hinh 4-8

UR=f(iR)

Z

2Ut C

UCO

Ut

Z

C

ic

Từ sơ đồ Peterson ta có : 2Ut(t) = iC Z + UC

dt

dU

+

Đặt T = Z C ta có

) ( 2 1

t U T

U C dt

dU

t C

t

U

C t

) ) ( 2

=

∆

∆

Hình 4 - 7

→ ∆UC = [ 2Ut(t) – UC ]

T

t

∆

UC(t + ∆t ) = UC(t) + ∆UC

Thờng chọn các khoảng ∆t đều nhau nhng có độ chính xác cần thiết sao cho các khoảng phân chia ∆t trùng với các điểm đặc biệt

III) Tính toán bảo vệ sóng qúa điện áp truyền vào trạm :

1) Mô tả trạm cần bảo vệ :

- Các thiết bị chính cần đợc bảo vệ :

+ Máy biến áp + Thanh góp + Các thiết bị trong trạm

2) Lập sơ đồ thay thế tính toán trạng thái sóng của trạm :

- Sơ đồ thay thế 1 sợi trạm 220 kV(xét cho 1 thanh góp):

D1

DCL

D4

AT1

DCL DCL

DCL DCL

DCL DCL

DCL

MC MC

D2

D3

CSV

BU

AT2

Hình 4 - 8

• Xác định sơ đồ trạng thái sóng nguy hiểm

- Sơ đồ xuất phát thờng phức tạp do đó để quá trình tính toán không phức tạp ta cần có

sự dơn giản hoá hợp lý Dựa vào sơ đồ đầy đủ phân tích sơ bộ tìm ra trạng thái bất lợi nhất Thờng là trạng thái vận hành mà thiết bị cần bảo vệ ( máy biến áp , máy cắt ) ở xa chống sét van quá trình lan truyền sóng trên đờng dây ít qua các nút có điện dung tập chung và nhiều đờng dây rẽ nhánh

- Sơ đồ thay thế đợc lập nh sau :

Dựa vào trạng thái sóng nguy hiểm lập sơ đồ thay thế ở trạng thái này Trong sơ đồ thì đ-ờng dây, thanh góp đợc thay thế bằng mạch gồm nhiều chuỗi phần tử hình π, điện cảm

và điện dung lấy theo tổng trở sóng và tốc độ truyền sóng của chúng

Trong tính toán thờng lấy gần đúng tổng trở sóng Z = 400 Ω cho cả đờng dây và thanh góp Tốc độ truyền sóng lấy V = 300 m / s Các thiết bị khác đợc thay thế bằng các điện dung tập chung tơng đơng Các giá trị điện dung này có thể tra trong các bảng Ta có sơ

đồ thay thế nh hình vẽ :

I

20 10

12,5

1500pF 500pF

10 10 12,5

10 10 10

300pF CVS

500pF 60pF

2

3

4 60pF

60pF 60pF

60pF 833pF

Hình 4 - 9 Sơ đồ thay thế trong trạng thái nguy hiểm Trong sơ đồ điện dung có giá trị nh sau :

+ Máy biến áp : CMBA = 1500 pF

+ Dao cách ly : CDCL = 60 pF

+ Máy biến áp đo lờng : CBU = 300 pF

+ Thanh góp : CTG = CTG0 l

V

1

1

=

=

l = 100 m : chiều dài thanh góp

CTG = 8,33 100 = 833 ( pF ) Các giá trị này đợc tra trong bảng 4 –1 (Tài liệu hớng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật

điện cao áp của tác giả Nguyễn Minh Chớc)

- Sơ đồ trạng thái sóng rút gọn:

Từ sơ đồ thay thế trạng thái sóng nguy hiểm ta rút gọn sơ đồ về 4 điểm.

+ Điểm 1: Điểm đặt tại cách ly đờng dây

+ Điểm 2: Điểm đặt tại thanh góp 220 KV của trạm biến áp

+ Điểm 3: Điểm tại máy biến áp đang có sóng sét truyền từ đờng dây đến

+ Điểm 4 : Điểm đặt tại chống sét van

Từ sơ đồ ta có khoảng cách giữa các điểm nh sau :

+ Khoảng cánh giữa điểm 1 và 2 : L12 = 30 m

+ Khoảng cách giữa điểm 2 và 3 : L23 = 45 m

+ Khoảng cách giữa điểm 2 và 4 : L24 = 30 m

Ta có sơ đồ thay thế trạng thái sóng nguy hiểm khi rút gọn nh hình vẽ :

C 2

3

30

C 4 CVS

4

C 1

Z=400( Ω )

U 50%đt

45 30

C 3

Hình 4 – 10

Sơ đồ thay thế rút gọn của trạng thái sóng nguy hiểm

- Ta qui điện dung về các điểm cần xét theo qui tắc phân bố lực :

Giả sử điện dung C ở vị trí 0 qui đổi về điểm 2 điểm nút A và B theo công thức :

CA = C

B A

B

L L

L

B A

A

L L L

+

CA Co CB

Hình 4 – 11

Nguyên tắc mômen lực Trong sơ đồ sau khi qui đổi ta có điện dung tập chung tại các nút nhận các giá trị nh sau :

+C1 = CCL + CMC

30

20

+ CCL

30

10

= 60 + 500 20

30 + 60 10

30 = 413,33 (pF) + C2 = CTG + CCL

30

20

+ CMC

30

10

+ CCL 12,5

45 + CMC 22,5

45 + CCL 32,5

45 + CCL 20

30

= 833 + 60 3020 + 500 1030 + 60 12,5

45 + 500 22,5

45 + 60 32,5

45 + 60 20

30

= 1349,6 ( pF)

+ C3 = CCL

12,5

45 + CMC

22,5

45 + CCL

32,5

45 + CMBA

= 60 12,5

45 + 500 22,5

45 + 60 32,5

45 + 1500 = 1810( pF ) + C4 = CCL 10

30 + CBU = 60 10

30 + 300 = 320 ( pF )

3) Thiết lập phơng pháp tính điện áp với các nút trên sơ đồ rút gọn

a Thời gian truyền sóng giữa các nút :

- Thời gian truyền sóng giữa nút 1 và 2 :

t12 = 0 , 1 ( )

300

30

v

L

à

=

=

- Thời gian truyền sóng giữa nút 2 và 3 :

t23 = 23 45

0,15( ) 300

L

s

- Thời gian truyền sóng giữa nút 2 và 4 :

T24 = 24 30

0,1( ) 300

L

s

Ta chọn ∆t = 0,05 às và chọn gốc thời gian tại nút 1 là t = 0

* Nút 1

Là nút có hai đờng dây đi với tổng trở sóng Z = 400 (Ω) Tổng trở tập trung là điện dung C1 Từ đây ta có sơ đồ Peterson nh hình vẽ

Ta có sóng phản xạ từ nút 1 về nút 2 là U12: U12 = U1 – U’21

Là sóng tới nút 1; U21 là sóng phản xạ từ nút 2 về nút 1 ; U’21 là sóng tới nút 1 do sóng phản xạ U21 đi từ nút 2 Xét với gốc thời gian của nút 1(qui ớc nh vậy đối với sóng tới nút 1) Ta có U’21 chậm sau U21 một khoảng thời gian ∆t = 2.t12 = 0,2 (às) Còn U21 theo

quy ớc lấy gốc thời gian ở đây không cần tính sóng phản xạ U10

Theo các công thức 4 -2, 4 – 3, 4 – 4 ta có

Zdt =

2

Z

=

2

400

= 200 (Ω)

Hệ số khúc xạ tại điểm 1 : α = 2.Z Zdt = 2400.200 = 1

⇒ 2.Udt = ∑

=

n m

m

1

' 1

1

α = U’01 + U’21

U’01 – Sóng từ đờng dây tới nút 1

U’21 - Sóng tới từ nút 2 truyền về nút 1

Do tổng trở tập trung tại nút 1 là điện dung C1 = 413,33 (pF) Nên theo phơng pháp tiếp tuyến ta có: T = Zđt.C1 = 200.413,33.10-12 = 0,083 (às)

Theo công thức 4 – 8: ∆U1 = 0, 05

0, 083(2.Udt – U1(t)) ∆U1 = 0,6.(2.Udt – U1(t))

U1(t+∆t) = U1(t) + ∆U1

Hình 4 - 12

Với U1(0) = 0 (gốc thời gian đối với nút 1)

Biểu thức trên cho ta tính liên tiếp các giá trị của U1(t)

Khi t < 2.t12 = 0,2 (às) thì U’21 = 0 vì cha có sóng phản xạ từ nút 2 về tới nút 1 nên :

2.Utd = U’01

Khi t > 2.t12 thì để tính 2.U’01 cần phải tính đợc U’21, tức phải xét qua trình sóng tại nút 2(tạm dừng tính toán với nút 1, sau khi ghi bảng các giá trị U1 và U12 ta tính đợc trong khoảng thời gian t < 2.t12 ở trên

Ta nhận thấy để xét nút 2 cần có số liệu về sóng tới, vì vậy bớc đầu cũng chỉ tính đợc

điện áp tại nút 2 trong khoảng thời gian t = 2.t12, khi đó các giá trị U21 đã tính toán đợc từ nút 1 Đồng thời quá trình tính toán nút 2 lại phải chú ý đến sóng phản xạ từ nút 3 và nút

4 trở về Trong khoảng thời gian tơng đối với nút 2: t < 2.t23 thì U’32 = 0

t < 2.t24 thì U’42 = 0

Trong khoảng thời gian lớn hơn thì tơng ứng phải tính toán đợc các sóng phản xạ từ nút

3 và nút 4 trở về, tức là phải xét các nút này trớc

Sau khi tính toán nút 2 trong khoảng kể trên, lại cho phép tính thêm quá trình sóng tại nút 1 một khoảng t = 2.t12, nghĩa là xác định giá trị của U1 và U12 trong khoảng thời gian(tơng đối với nút 1) là t < 4.t12

Sau khoảng thời gian này phải trở lại tính đối với nút 2 và xét đến sóng phản xạ từ nút 3

và nút 4 về nút 2 thì lại phải xét đến nút này Quá trình tính toán lặp đi lặp lại nhờ vậy và càng về sau càng phải xét đến nhiều nút hơn

* Nút 2

Là nút có ba đờng dây đi tới với tổng trở sóng Z = 400 (Ω) Tổng trở tập trung la điện dung C2 = 1349,6 (pF) ta có sơ đồ Peterson nh hình