Bảo vệ chống sét đường dây 220KV

Bảo vệ chống sét đường dây 220KV

chơng II

Bảo vệ chống sét đờng dây 220 kV

Đờng dây là phân tử dài nhất trên hệ thống điện nên thờng bị sét đánh gây nên quá

điện áp Quá trình này có thể dẫn tới cắt máy cắt đờng dây làm ảnh hởng tới cung cấp điện

và an toàn của các thiết bị trong trạm Vì thế đờng dây cần đợc bảo vệ chống sét với mức

an toàn cao

Trị số của quá điện áp khí quyển là rất lớn nên không thể chọn mức cách điện của ờng dây đáp ứng đợc hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp mà chỉ có thể chọn theo mức hợp

đ-lý về mặt kinh tế và kỹ thuật Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đờng dây không phải

là an toàn tuyệt đối mà chỉ cần ở mức độ giới hạn hợp lý

Trong phần này ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây, trên cơ sở đóxác định đợc các phơng hớng và biện pháp để giảm số lần cắt điện của đờng dây cần bảovệ

Việc đa ra chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây là một vấn đề phức tạp Nó phụ thuộc vàonhiều yếu tố nh kết cấu, yêu cầu cung cấp điện vì vậy khó có thể đa ra một chỉ tiêu chung Do

đó trong tính toán hiện nay của bảo vệ chống sét tính với thời gian một năm hoặc một trăm giờsét cho chiều dài 100km đờng dây có thể so sánh với các chỉ tiêu chống sét của các đờng dây

điển hình Các đờng dây này qua kinh nghiệm thiết kế và vận hành đã đợc xác nhận mức độ bảo

vệ chống sét là hợp lý Nếu so sánh chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đờng dây thiết kế kém hơnnhiều so với các đờng dây điển hình thì cần có biện pháp tăng cờng bảo vệ chống sét nh đặtthêm dây chống sét, giảm góc bảo vệ, giảm điện trở nối đất

1) C ờng độ hoạt động của sét

a) Số ngày sét

Cờng độ hoạt động của sét đợc biểu thị bằng số ngày có giông sét hàng năm (nng.s) Các số liệunày đợc xác định theo số liệu quan trắc ở các đài trạm khí tợng phân bố trên lãnh thổ từng nớc Theo

số liệu thống kê của nhiều nớc ta có :

- Số ngày sét hàng năm ở vùng xích đạo : 100  150 ngày

- Số ngày sét hàng năm ở vùng nhiệt đới : 75  100 ngày

- Số ngày sét hàng năm ở vùng ôn đới : 30  50 ngày

Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đờng dây đi qua, có thể tính

số lần sét đánh trực tiếp vào đờng dây trong một năm là:

N = ms.nng.s.L.h.10-3(lần) ( 3 - 1 )

Trong đó :

ms: mật độ sét vùng có đờng dây đi qua

nng.s: số ngày sét trong một năm

h : chiều cao trung bình của các dây dẫn (m)

L : chiều dài của đờng dây (km)

Lấy L = 100km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đờng dây trongmột năm

N = (0,1  0,15).nng.s.6.h.100.10-3 = (0,06  0,09).nng.s.h ( 3 – 2 )

Tuỳ theo vị trí sét đánh quá điện áp xuất hiện trên cách điện đờng dây có trị số khácnhau Ngời ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đờng dây có dây chống sét thành bakhả năng

N : tổng số lần sét đánh vào đờng dây

 : là xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nóphụ thuộc vào góc bảo vệ  và đợc xác định theo công thức sau:

lg  h c  4

( 3 –5 )

3) Số lần phóng điện do sét đánh vào đ ờng dây

Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đờng dây ( sứ và khoảng cáchkhông khí giữa dây dẫn và dây chống sét ) có thể gây ra phóng điện Khả năng phóng điện

đợc đặc trng bởi xác suất phóng điện Vpđ Nh thế ứng với số lần sét đánh Ni số lần phóng

pd  P U  U

 ( 3 – 8 )

Khi có phóng điện trên cách điện của đờng dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu có xuấthiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện Xác suất hình thành hồ quang  phụthuộc vào điện áp làm việc trên cách điện pha của đờng dây và độ dài cách điện của đờngdây Có thể xác định  theo bảng sau.

Bảng 3 - 2 : Bảng xác suất hình hình thành hồ quang   ( Elv)

Elv =

cs

lv L

U

U lv : điện áp pha làm việc.

L cs : chiều dài chuỗi sứ

Đối với đờng dây dùng cột gỗ tính theo công thức

 (1,5.E tb 4).102

  ( 3 – 9 )

Etb : cờng độ trờng trung bình trên tổng chiều dài cách điện ( kV/m)

Cuối cùng có thể tính số lần cắt của đờng dây tơng ứng với số lần sét đánh Ni:

ncdi  Npdi   Ni pd  ( 3 – 10 )

Số lần cắt điện tổng cộng của đờng dây

ncd ncdi ( 3 – 11 )

5) Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng.

Số lần phóng điện do sét đánh gần đờng dây cảm ứng gây phóng điện trên cách điện ờng dây

Npđ c = 260

% 50 U

% 50

s

e.U

h.n)

4,236,15

( 3 – 12 ) Trong đó :

ns : số ngày sét trong một năm

h : độ treo cao trung bình của dây dẫn

U50% : điện áp phóng điện 50% của chuỗi sứ

Nh vậy số lần đờng dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng

ncđ c = Npđ c  ( 3 – 13 )

Đờng dây 110kV trở lên do mức cách điện cao (U50% lớn) nên suất cắt do quá điện ápcảm ứng có trị số bé và trong cách tính toán có thể bỏ qua thành phần này

1) Mô tả đ ờng dây cần bảo vệ

4,5m 3m

b) Dây dẫn và dây chống sét.

Dây dẫn AC – 240

Dây chống sét C – 70

Khoảng vợt lkv=200m

c) Nối đất cột điện

Điện trở suất của nối đất  0,9 cm

Điện trở nối đất cột điện Rc = 10

a) Độ võng của dây.

V 3

F.16

V.C.PF

Pg

44 , 0 g

) m / kg ( 44 , 0 10 4 , 9 1 16

30 2 , 1 7 , 0 P

2 3

3

3 2

g

2 2 1

VËy ph¬ng tr×nh tr¹ng th¸i lÊy lÊy tr¹ng th¸i øng víi  min lµm tr¹ng th¸i xuÊt ph¸t Ph¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cã d¹ng :

0 B

200.10.200.)10.8(24

l.E.gB

2,39)525.(

10.200.10.1231

.24

10.200.)10.8.(

20031

).(

E.24

E.g.lA

2 3 2

3 2

2

3 6

2

3 2

3 2

min o

· b 2

0

2 1 2

0 3 , 21333

2 , 39

2 2

200 10 8 8

l g f

2 3 2

V 3

F.16

V.C.PF

Pg

) m / kg ( 83 , 0 10 5 , 17 1 16

30 2 , 1 7 , 0

Từ đây ta tính đợc lgh:

)m(2,228)

10.46,3()10.5(

)525(10.2,19.24.58,8

gg

).(

.24.l

2 3 2

3

6

2 1 2 3

min o

ã b CP

200.8250.)10.46,3(24

l.E.gB

5,3)525.(

8250.10.2,1958

,8.24

8250.)10.46,3.(

20058

,8

).(

E.24

E.g.lA

2 2

3 2

2

6 2

2 3 2

min o

ã b 2

0

2 1 2

0 58 , 47

5 , 3

2 2

, 3 8

200 10 46 , 3 8

l g f

2 3 2

b) Độ treo cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét.

I.4.1.2.a.3 Độ treo cao trung bình của dây chống sét

- Do điểm cao nhất của cột là 25m nên hcs = 25m

- Độ treo cao trung bình của dây chống sét là:

) m ( 6 , 23 1 , 2 3

2 25 f 3

2 h

- Dây dẫn pha A có góc bảo vệ 0

h h

3 tg







) m ( 18 22

tg

3 22 tg 25 tg

3 tg h

0

A

A cs

2 18 f 3

2 h

- Dây dẫn pha B(C) có góc bảo vệ 0

h h

5 , 4 tg







) m ( 13 20

tg

5 , 4 20 tg 25 tg

5 , 4 tg h h

0

B

B cs C

2 13 f 3

2 h h

Zdd  ( 3 – 14 ) Trong đó:

.74,8

3,14.2ln.60r

h.2ln.60

tb A dd

I.4.1.2.a.7 Tổng trở sóng pha B, C.

Dây dẫn pha B, C là dây AC-240 có r = 8,74.10-3m nên:

) ( 9 , 459 10

74 , 8

3 , 9 2 ln 60 r

h 2 ln 60 Z

tb C , B C

dd B

- Khi có kể đến ảnh hởng của vầng quang.



cs VQ CS

, 1

6 , 552 Z



r

h 2 ln d

D ln

K  ( 3 – 15 )

Trong đó:

h2: độ treo cao của dây chống sét

r2: bán kính của dây chống sét

d12: khoảng cách giữa dây chống sét và dây dẫn

D12: khoảng cách giữa dây chống sét và ảnh của dây dẫn

Các tham số trên hình vẽ đợc xác định nh sau:

1

2

2' 1'

I.4.1.2.a.9 Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha A và dây chống sét.

Nh hình 3 – 2 ta có:

Với pha A ta có:

Độ treo cao trung bình của dây dẫn h1 = 14,3m

Độ treo cao trung bình của dây chống sét h2 = 23,6m

Độ dài của xà lxà = 3m

Bán kính dây dẫn r2 = 4,72.10-3m

Ta tính đợc:

)m(77,9)3,146,23(3)hh(l

1 2 2 xà

)m(02,38)3,146,23(3)hh(l

2 1 2 xà

Thay vào công thức 3 – 14 ta có:

15 , 0 10 72 , 4

6 , 23 2 ln

77 , 9

02 , 38 ln K

K = 1,4.0,15 = 0,21

I.4.1.2.a.10 Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha B(C) và dây chống sét.

Với pha B(C) ta có:

Độ treo cao trung bình của dây dẫn h1 = 9,3m

Độ treo cao trung bình của dây chống sét h2 = 23,6m

Độ dài của xà lxà = 4,5m

Bán kính dây dẫn r2 = 4,72.10-3m

Ta tính đợc:

)m(99,14)3,96,23(5,4)hh(l

1 2 2 xà

)m(21,33)3,96,23(5,4)hh(l

2 1 2 xà

Thay vào công thức 3 – 14 ta có:

09 , 0 10 72 , 4

6 , 23 2 ln

99 , 14

21 , 33 ln K

K

3

C 0 B



Thay vào công thức 3 – 16 ta có:

13 , 0 09 , 0 4 , 1 K

vq B

e) Nhận xét

Khi tính toán các chỉ tiêu chống sét do các pha có các thông số khác nhau nên trongnỗi trờng hợp ta chọn trờng hợp nguy hiểm nhất để tính.

- Khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn ta chỉ xét cho pha A (pha có gócbảo vệ lớn nhất)

- Khi sét đánh vào khoảng vợt dây chống sét ta tính cho pha B hoặc C (pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ hơn)

- Khi sét đánh vào đỉnh cột ta sẽ tính với pha có Ucđ(a,t) lớn nhất

Nếu gọi N là tổng số lần sét đánh trên đờng dây

Ndd: số lần sét đánh vào dây dẫn

Nđc: số lần sét đánh vào đỉnh cột

Nkv: số lần sét đánh vào khoảng vợt dây chống sét

f) Số lần sét dánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn.

Trong trờng hợp này ta tính với dây dẫn pha A

Trớc tiên ta cần đi xác định xác suất phóng điện V với các thông số nh sau:

m25h

78 , 2 4 90

25 22

V = 1,7.10-3Theo công thức 3 – 4 ta có:



4) Suất cắt do sét đánh vào đ ờng dây.

h) Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn.

Theo 3 – 10 ta có:

ndd=Ndd.Vpđ.Trong đó:

Vpđ: là xác suất phóng điện đợc xác định nh sau

Vpđ = P [ Uqa U50% ]

= P [ I 

dd

% 50 Z

U 4

Z A

dd 

U50% = 1140kV

7 , 0

e 26 , 1 485 , 6

1140 4

U

E 

) kV ( 127 3

220 3

U

lpd: chiều dài phóng điện, lấy bằng chiều dài chuỗi sứ

lpd = lsứ.n = 146.14 = 2014(mm) = 2,014(m)

lsứ: độ cao một bát sứ

n: số bát sứ của chuỗi sứ

) m / kV ( 13 , 62 014 , 2

127

Từ bảng 3 – 2 ta có đồ thị   ( Elv)

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Hình 3 - 3: Đồ thị   ( Elv)

Từ đồ thị ta có = 0,67

ndd = 0,29.0,7.0,67 = 0,13(lần/100km.năm)

i) Suất cắt do sét đánh vào khoảng v ợt

Khi sét đánh vào khoảng vợt của dây chống sét, để đơn giản cho tính toán ta giả thiếtsét đánh vào chính giữa khoảng vợt, dòng điện sét chia đều sang hai bên nh hình 3 – 4

Hình 3 - 4: Sét đánh vào khoảng vợt dây chống sét

Lấy với dạng sóng xiên góc Lúc này trên dây chống sét và mỗi cột sẽ có dòng điện

là

2

is

Khi tính toán ta cần tính với các giá trị khác nhau của dòng điện sét

Khi đờng dây tải điện bị sét đánh vào khoảng vợt của dây chống sét thì sẽ sinh ra các

điện áp là:

- Điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét

- Điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ

Nếu các điện áp này đủ lớn thì sẽ gây ra phóng điện sét trên cách điện làm cắt điệntrên đờng dây

I.4.1.4.a.1 Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn

và dây chống sét (ta xét với pha B hoặc C, vì hệ số ngẫu hợp của 2 pha này nhỏ hơn pha của pha A).

( kV )

3

l a ).

K 1 (

Ucd   vq ( 3 – 17 )Trong đó:

Kvq: hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang

a: độ dốc dòng điện sét.

l: khoảng vợt của đờng dây

Từ đó ta có thể tính đợc xác suất phóng điện và tính các giá trị Npđ và npđ

Trong thiết kế và thi công đờng dây, thờng chọn khoảng cách giữa các dây đủ lớn đểtránh chạm dây nên khả năng xảy ra phóng điện trong trờng hợp này ít xảy ra và dù có xảy

ra thì xác suất hình thành hồ quang cũng rất nhỏ Vì vậy suất cắt trong tr ờng hợp này cóthể bỏ qua

I.4.1.4.a.2 Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên chuỗi sứ.

Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ khi sét đánh vào khoảng vợt của dây chống sét là:

Ucđ(t) = Uc(t) + Ulv ( 3 – 18 )

Trong đó:

Ulv: điện áp làm việc

)kV(4,114220.52,0

U.52,0dt)

t.sin(

.U.3

22

2

0 lv

di L 2

) t ( i R ) t (

c s

t a R ) t (

Kết quả tính toán cho ở bảng 3 – 4

Đồng thời ta cũng có bảng đặc tính V – S của chuỗi sứ   4 , 5 nh sau:

Bảng 3 - 3: Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ

U(kV) 1740 1580 1440 1360 1220 1180 1180 1180 1180 1180 1180 1180Dựa vào bảng 3 – 3 và 3 – 4 ta vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Ucđ(t) và đặc tínhphi tuyến V – S của chuỗi sứ

Hình 3 - 5: Đồ thị Ucđ(a,t)

Từ đồ thị này ta xác định đợc các cặp thông số (Ii,ai) là giao của đờng cong Ucđ(t) và

đặc tuyến V-S Dựa vào các cặp thông số này ta xác định đợc đờng cong nguy hiểm I=f(a)

từ đó xác định đợc miền nguy hiểm và xác suất phóng điện Vpđ

Ucđ,

kV

t, s

mnh I(kA)

i e



9 , 10 i a

Vpđ = 7,6.10-5 Theo công thức 3 – 10 ta có suất cắt điện của đờng dây khi sét đánh vào khoảng v-

ợt của dây chống sét

nkv = Nkv. Vpđ

= 84,96.0,67.7,6.10-5 = 0,43.10-2(lần/100km.năm)

j) Tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột.

Để đơn giản và dễ tính toán ta giả thiết sét chỉ đánh vào đỉnh cột điện, khi đó phầnlớn dòng điện sét sẽ đi vào nối đất cột điện, phần nhỏ còn lại sẽ đi theo dây chống sét vàocác bộ phận nối đất của các cột lân cận nh hình 3 – 7

Hình 3 - 7: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét.

Trong trờng hợp này ta phải tính toán suất cắt cho pha có quá điện áp đặt lên cách

điện lớn nhất Ucđ(t) max Do đó ta phải tiến hành tính toán điện áp đặt lên cách điện đốivới từng pha

Ucđ(t) đợc xác định theo công thức sau

Ucđ(t) = Uc(t) + Uc.từdd(t) + Ud

c.điện(t) + Udcs(t) ( 3 – 22 )Theo công thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột baogồm

- Thành phần điện áp giáng trên cột

dt

di L R i ) t (

c c c

t ( M ) t (

dd dd

từ

c  ( 3 – 24 )Trong đó:

h H

).

1 (

H t v ln h 2 , 0 ) t ( M

dd dd

dd





 ( 3 – 25 ) Với:

hdd: độ cao của dây dẫn

U dd(t) Mdd(t).a

từ

c  ( 3 - 26 )

- Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tíchcủa dòng điện sét.

H h h ) 1 (

) h t v ).(

H t v ( ).

h t v ( ln h a 1 , 0 ).

h

h K 1 ( ) t

(

U

c 2 c dd

dd

c diện

a: độ dốc đầu sóng của sóng xiên góc

K: hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hởng của vầng quang

c c c

1 (

2

h 2 t v ln h 2 , 0 ) t ( M

c

c c

+ Khi cha có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về

v

l 2

Rc : điện trở nối đất cột điện

Zcs : tổng trở sóng dây chống sét có kể đến ảnh hởng của vầng quang

Từ sơ đồ ta tính đợc

( Z t 2 M ( t ) Z )

R 2 Z

a )

t a ( i

1

cs cs

cs c cs

c

Z R 2 Z

a dt

1

L 2

R 2

Z 



 ( 3 – 33 )

+ Khi có sóng phẩn xạ từ cột lân cận về

v

l 2

a ) t a (

cs cs

c c

cs c

c

e )).

t ( M 2 L ( R 2

a dt

c 2

L 2 L

R 2





 ( 3 – 36 )

I.4.1.4.a.3 Điện áp đặt lên cách điện pha A.

Để so sánh Ucđ(a,t) ta sẽ tiến hành so sánh với 1 giá trị cụ thể nh sau:

a = 10kA/s

t = 3s

Ta có các thông số đối với pha A nh sau

) H ( 8 , 10 18 6 , 0 h l

c = 300m/s

v = 0,3.300 = 90(m/s).

H = hc + hdd = 25 + 18 = 43(m)

) m ( 7 18 25 h h

200 2 v

l 2 s 3

3 , 0 1 (

2

25 2 3 90 ln 25 2 , 0

10 2

97 , 12 2 4 , 368 ( 10 2

05 , 0 ).

97 , 12 2 4 , 368 ( 10 2

10 dt

43 ln 18 2

7 43 ).

3 , 0 1 (

43 3 90 ln 18 2 , 0

tõ

43 7 25 ) 3 , 0 1 (

) 7 3 90 ).(

43 3 90 ( ).

25 3 90 ( ln 3 , 0

18 10 1 , 0 ).

18

25 21 , 0 1 ( U

2 diÖn

c d

) kV ( 54 , 100 )

97 , 12 10 37 , 7 15 10 85 , 23 (

21 , 0

U (a=10,t=3) = 349,05 + 85,4 + 202,93 – 100,54 + 114,4 = 651,24(kV)

Ta có các thông số đối với pha B hoặc C nh sau

) H ( 8 , 7 13 6 , 0 h l

) H ( 15 25 6 , 0 h l

) H ( 4 , 368 300

200 1 , 552 c

l Z

200 2 v

l 2 s 3

3 , 0 1 (

2

25 2 3 90 ln 25 2 , 0

2



- Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét.

) H ( 98 , 5 1 12

38 ln 13 2

12 38 ).

3 , 0 1 (

38 3 90 ln 13 2 , 0

Uc từdd  dd  

- Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tíchdòng điện sét

) kV ( 4 , 140

12 38 25 ) 3 , 0 1 (

) 12 3 90 ).(

38 3 90 ( ).

25 3 90 ( ln 3 , 0

13 10 1 , 0 ).

13

25 15 , 0 1 ( U

2 diện

c d

97 , 12 10 37 , 7 15 10 85 , 23 (

15 , 0

U (a=10,t=3) = 295,5 + 59,8 + 140,4 – 71,81 + 114,4 = 538,29(kV)

Kết luận:

Vậy pha A có Ucđ(t) lớn hơn nên ta sẽ tiếp tục tính toán điện áp đặt lên cách điện chuỗi

sứ trong trờng hợp tổng quát là với pha A

Để tính đợc Ucđ(a,t) ta cần phải tính các thành phần điện áp nh sau:

- Thành phần điện áp làm việc:

Ulv = 114,4(kV)