Kỹ thuật cao áp

Bộ môn năng lượng điện

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 1 Phần I Quá điện áp khí quyển và bảo vệ chống quá điện áp khí quyển Chơng I Hiện tợng phóng điện của sét nguồn phát sinh quá điện áp khí quyển Đ1-1. Quá trình phóng điện của sét. Sét là một trờng hợp phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5km). Quá trình phóng điện của sét giống nh quá trình xẩy ra trong trờng không đồng nhất(xem chơng III). Khi các lớp này đợc tích điện ( khoảng 80% số trờng hợp phóng điện sét xuống đất điện tích của mây có cực tính âm) tới mức độ có thể tạo nên cờng độ trờng lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt dất. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo và dòng gọi là dòng tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần số phóng điện đầu tiên khoảng 1,5. 10 7 cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt tới 2.10 8 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, điều này đợc giải thích bởi trong cùng lớp mây điện có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lợt phóng điện xuống đất). Tia tiên đạo là môi trờng plasma có điện dẫn lớn. Đầu tia nối với một trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố có thể xem nh gần đều dọc theo chiều dài tia (hình 16- 1a). Dới tác dụng của điện trờng của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳ thuộc vào tình hình dẫn điện của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay ở phía dới tia tiên đạo. Trờng hợp mặt đất có nhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong dất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao ví dụ các ao, hồ, sông, lạch ở vùng đất đá . Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đờng sức nối liền giữa các tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đấy cờng độ trờng có trị số lớn nhất và nh vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã đợc định sẵn. Tính chất chọn lọc của phóng điện đã đợc vận dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình : cột thu lôi có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện sét về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó. Cần nêu thêm rằng, nếu ở phía mặt đất điện tích khác dấu đợc tập trung dễ dàng và có điều kiện thuận lợi để tạo nên khu vực trờng mạnh ( ví dụ đỉnh cột điện Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 2 đờng dây cao áp) thì có thẻ đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngợc chiều với tia tiên đạo từ lớp máy điện. Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trờng trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số rất lớn và bắt đầu có quá trình ion hoá mãnh liệt dẫn đến sự hình thành dòng Plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo ( hình 16-1b). Do có điện dẫn bản thân rất cao nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và nh vậy toàn bộ hiệu số điện thế ( giữa đầu tia đạo với mặt đất) đợc tập trung vaò khu vực giữa nó với đầu tia tiên đạo, trờng trong khu vực này tăng cao và gây ion hoá mãnh liệt . dòng Plasma đợc kéo dài và di chuyển ngợc lên phía trên. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện ngợc (hình 16-1c và d). Tốc độ phát triển của phóng điện ngợc thay đổi trong giới hạn 1,5.10 9 ữ 1,5.19 10 cm/s tức là 0,05 ữ 0,5 tốc độ ánh sáng. Trong giai đoạn này điện tích của lớp máy điện sẽ theo dòng Plasma chuyển về phía mặt đất tạo nên dòng điện ở nơi sét đánh. 1 1 1 2 3 2 3 i s i s i s i s t t t t a) b) c) d) Hình 1-1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét và biến thiên của dòng điện theo thời gian. a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo. b) Hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt gàn mặt đất. d) Giai đoạn phóng điện ngợc 1. Tia tiên đạo ; 2. Khu vực ion hoá mãnh liệt ; 3. Dòng của phóng điện ngợc. Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngợc là v và mật độ đờng của điện tích trong tia tiên đạo bằng thì trong đơn vị thời gian điện tích đi vào trong dất sẽ là Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 3 v và đó cũng là công thức tính dòng điện sét: iv s = (16-1) Công thức này tính toán cho trờng hợp sét đánh vào nơi nối đất tốt(có trị số điện trở nối đất rất bé không đáng kể). Quá trình chuyển từ phóng điện tiên đạo sang phóng điện ngợc gần giống nh quá trình ngắn mạch chạm đất của dây dẫn thẳng đứng có nạp điện trớc (hình 16-2). Dọc theo dây dẫn sẽ truyền sóng điện tích dơng với tốc độ ánh sáng làm giảm điện thế dây dẫn tới trị số không. Nếu dây dẫn ngắn mạch chạm đất qua một điện trở r thì trị số dòng điện sẽ giảm theo công thức: iv Z Zr s = + 0 0 (16-2) Z 0 Tổng trở sóng của dây dẫn tức là của khe phóng điện sét, có trị số khoảng 200 ữ300. ở các cột thu sét và cột điện,bộ phận nối đất thờng có trị số điện trở không quá 20 ữ30 nên khi bị sét đánh dòng điện sẽ gần bằng trị số tính theo công thức (16-1). Nếu sét đánh vào các nơi không có bộ phận nối đất nhân tạo hoặc có nhng điện trở nối đất quá lớn, dòng điện sét giảm nhiều và theo quy ớc hiện nay thờng lấy bằng một nửa trị số dòng điện ở nơi có nối đất tốt. Đ1-2. Tham số của phóng điện sét. Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét. Hiện nay đã tích luỹ đợc khá nhiều số liệu thực nghiệm về tham số này( đo bằng thỏi sắt từ hoặc bằng máy hiện sóng cao áp). Trên hình 16-1 cho dạng sóng dòng điện sét, đó là dạng sóng xung kích - chỗ tăng vọt của dòng điện ứng với giai đoạn phóng điện ngợc còn quá trình giảm dần về sau là quá trình chuyển số điện tích d từ lớp mấy xuống đất. Kết quả đo lờng cho thấy biên dộ dòng điện sét (I s ) biến thiên trong phạm vi rộng từ mấy kA tới hàng trăm kA và đợc phân bố theo quy luật thực nghiệm nh sau: c - + a) b) Hình 1-2 Quá trình ngắn mạch chạm đất của dây dẫn đợc nạp điện trớc kA Is 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 % Hình 1-3 Xác xuất của dòng điện sét (dùng ở Liên xô) Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 4 ve I I I s s == 10 60 26 1, hoặc Igv I i s = 60 (16-3) I s biên dộ dòng điện sét, kA. v I xác suất xuất hiện sét có biên độ dòng điện I s . Quy luật này cũng đợc biểu thị trên đờng cong 16-3. Độ dài sóng trung bình của dòng điện sét khoảng 40s. Số liệu này đợc chấp nhận trong tính toán thiết kế và thí nghiệm mặc dù có thể khác xa so với độ dài sóng của các lần đo thực tế. Khi phân tích các sơ đồ chống sét hoặc tính toán các quá trình quá độ, đầu sóng dòng điện sét thờng đợc thay bằng đoạn thẳng xiên có độ dốc trung bình a I s ds = ( ds độ dài đầu sóng). Tuy số liệu thực nghiệm về độ dốc trung bình không nhiều nhng vẫn có thể xuất đợc quy luật phân bố tơng tụ của biên độ dòng điện. ve a a == 10 2 25 10 9, hoặc 1 25 gv a a = ( 16-4) a Độ dốc trung bình của dòng điện sét, kA s/ . v a Xác suất xuất hiện sét có độ dốc trung bình a. Quy luật này cũng đợc biểu thị trên hình 16-4. Trong tính toán có khi cần phải đồng thời xét đến cả hai yếu tố: Biên độ và độ dốc dòng điện sét; trong các trờng hợp này dùng xác suất phối hợp () 1 60 25 gv Ia Ia s , = + ( 16-5) Để quá trình tính toán đợc đơn giản, trong từng trờng hợp cụ thể có thể dùng các dạng sóng tính toán khác nhau. dạng sóng có đầu sóng xiên góc ở hình 16-5a dùng khi quá trình cần xét xảy ra ở đầu sóng hoặc trong các trờng hợp mà thời gian a 10 Ua 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Hình 1-4 Xác xuất của độ dốc trung bình của dòng điện sét 50 40 30 20 kA/k s Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 5 : diễn biến tơng đối ngắn so với độ dài sóng. Trong các trờng hợp này sự giảm dòng điện sau trị số cực đại không có ý nghĩa nên khi t ds > có thể xem dòng điện không thay đổi và bằng trị số biên độ. Ngợc lại khi quá trình xảy ra trong thời gian dài ( t> ds ) nh khi tính toán về hiệu ứng nhiệt của dòng điện sét, có thể không sét đến giai đoạn sóng và dạng sóng tính toán đợc chọn theo dạng hàm số mũ (hình 16-5b). Đ1-3. Cờng độ hoạt động của sét. Cờng độ hoạt động của sét đợc biểu thị bằng số ngày có giông sét hàng năm (n ng.s ) hoặc tổng số thời gian kéo dài của giông sét trong năm tính theo giờ (n g. s ). Các trị số này đợc xác định theo các số liệu quan trắc ở các đài khí tợng phân bố trên lãnh thổ tùng nớc và trên cơ sở đó vẽ bản đồ phân vùng giông sét. Theo số liệu thống kê của nhiều nớc, số ngày sét hàng năm ở vùng xích đạo khoảng 100 ữ 150 ngày, vùng nhiệt đới 75 ữ100 ngày, vùng ôn đới khoảng 30 ữ 50 ngày, còn ở các vùng nam bắc cực chỉ khoảng vài ngày. Số ngày và số giờ có giông sét nói trên là chỉ các hoạt động giông sét chung, quá trình phóng điện có thể xảy ra giữa các lớp mây với nhau hoặc là giữa lớp mây với đất ( theo danh từ Việt nam, đó là số ngày giờ có sẫm sét). Để tính toán số lần có phóng điện xuống đất cần biết về số lần có sét đánh trên diện tích 1km 2 mặt đất ứng với một ngày sét, nó có trị số khoảng 0,1 ữ 0,15; từ đó sẽ tính đợc số lần sét đánh vào các công trình hoặc đánh lên đờng dây tải điện. Kết quả tính toán này chỉ cho một khái niệm trung bình vì phóng điện sét mang sẵn tính chọn lọc mà không phải rải đều trên mọi nơi của mặt đất. Đ1-4. Điện từ trờng của khe phóng điện. Vì phóng điện sét có kèm theo việc di chuyển trong không gian một số lợng điện tích đáng kể nên sản sinh ra điện từ trờng mạnh đợc biểu thị bởi thế véctơ A và thế vô hớng . i s i s =at I s = a đs t đs i s i s = I s e T t Is T = 7,0 s s Hình 1-5 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét. a) Dạng sóng xiên góc. b) dạng sóng hàm số mũ. Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 6 = 1 4 ()V qt R c R dV (16-6) ( ) A t R dV V R c = 4 () (16-7) Trong các đẳng thức trên tích phân tiến hành theo khối (V) chứa điện tích với mật độ khối q và dòng điện có mật độ . R là khoảng cách từ các phần tử dV của khối tới điểm cần xác định thế. Ký hiệu qt R c và t R c có nghĩa là để xác định thế tại thời điểm t thì trong (16-6), (16-7) cần phải xét hiện tợng " chậm trễ " tức là trị số q và phải tính ở thời điểm sớm hơn t một khoảng thời gian bằng thời gian truyền tín hiệu từ phần tử dV tới điểm cần xét với tốc độ ánh sáng R c . Nh vậy nếu biết đợc sự phân bố trong không gian và biến thiên theo thời gian của điện tích khôí q và của mật độ dòng điện thì có thể xác định thế và suy ra cờng độ điện trờng: EgradEE dt = = + (16-8) Điện trờng gồm hai thành phần, thành phần điện Egrad d = xác định bởi sự biến thiên trong không gian của điện trờng và phần tử E A t t = sinh ra bởi sự thay đổi theo thời gian của từ trờng. Điện từ trờng sinh ra do phóng điện sét là nguồn nhiễu loạn vô tuyến cực mạnh, nó còn giữ đợc cờng độ rất lớn ngay ở những nơi cách xa hàng trăm km. Tính toán gần đúng về điện từ trờng trong thời gian sét đánh không khó khăn nếu cho rằng dòng sét là đờng thẳng vuông góc với mặt đất còn phóng điện ngợc đợc biểu thị bởi sự di chuyển của điện tích mật độ theo tốc độ thay đổi v , tức là khi dòng điện có dạng sóng vuông góc và biên độ Iv s = . Chuyển dịch của phóng điện ngợc xác định sự thay đổi của điện tích và dòng điện không gian và thời gian và vì ở ngoài giới hạn của dòng không có điện tích và dòng điện nên tích phân khối của (16-6), (16-7) đợc rút gọn về tích phân đờng. Hớng về vectơ A trùng với hớng của vectơ dòng điện sét i s tức là có hờng thẳng đứng và do đó vectơ E A t t = cũng có hớng thẳng đứng. Ngợc lại vectơ Egrad t = ở các điểm khác nhau của không gian sẽ có hớng khác nhau. Vì điện áp đối với đất đợc xác định bởi thành phần thẳng đứng của điện trờng nên chỉ cần xét Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 7 đến hình chiếu của vectơ E d trên trục thẳng đứng E Y d . ở đây không đi vào phơng pháp tính toán mà chỉ đa ra kết quả để xác định cờng độ điện trờng trên mặt đất. () () EE I vt x b Y tt s == + + 60 1 22 2 22 ( 16-9) () () EI xb vt xb Y d s = + + + 60 11 1 22 22 2 22 (16-10) trong đó: == v c I v s ; và 22 4 60 c t c m==/ Trị số rxb=+ 22 là khoảng cách từ điểm P, điểm cần xác định cờng độ trờng, tới trục của dòng sét (hình 16-6). Trên hình 16-7 cho đồ thị biến thiên theo thời gian của cờng độ trờng tổng hợp và các thành phần của nó tính theo các công thức trên ứng với hai khoảng cách r = 100 và 300m. Từ các đồ thị thấy rằng, thành EEE Y d Y t =+ phần từ tăng vọt (do đầu sóng vuông góc của dòng điện sét) và sau đó giảm dần. Thành phần điện sẽ tăng tới giới hạn xác định bởi số hạng đầu của biểu thức (16-10). Các thành phần này xuất hiện chậm hơn so với lúc bắt đầu có phóng điện ngợc khoảng thời gian t xb c 0 22 = + có nghĩa là từ lúc bắt đầu có phóng điện ngợc cho đến khi tín hiệu của điện từ trờng truyền đến P (điểm quan sát) thì cả hai thành phần E d và E t ở điểm đó đều bằng không. Hình 1-6 Tính toán về cờng độ điện trờng đo khe sét gây nên. y x z x E -t b P E y đ E z đ E x đ E -t Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 8 a) b) a) b) Hình 1-7 Biến thiên theo thời gian của cờng độ trờng tổng hợp. Hình a = 0,1 Hình b = 0,5 1. Khoàng cách r = 100m ; 2. Khoàng cách r = 300m. 80 60 40 20 E y đ E y E y t E y đ E y t E y kV/m E y 2 4 6 8 s 2 4 6 8 s 80 60 40 20 E y E y đ E y E y đ E y t kV/m 1 2 1 2 tt