doan2-ngotiendat-41200713

MỤC LỤC Trang Lời nói đầu CHƯƠNG I – Sét- Nguồn gốc điện áp khí CHƯƠNG II – Các thiết bị chống sét 15 CHƯƠNG III – ATP/EMTP 31 CHƯƠNG IV – Báo cáo khoa học 52 CHƯƠNG V - Xây dựng lại mơ hình từ báo cáo khoa học 59 Tài liệu tham khảo 67 LỜI MỞ ĐẦU Đối với quốc gia việc phát triển bền vững quan Đường dây phân phối có vai trị quan trọng việc phát triển kinh tế nước nhà, đáp ứng cầu lượng cảu xí nghiệp hộ gia đình Nhưng nước ta lại thường xuyên chịu ảnh hưởng tượng tự nhiên mà bật tính thường xuyên nguy hiểm hết sét Sét đánh trúng cơng trình gây hư hỏng, cố , điện tạm thời Vì yêu cầu chống sét cho đường dây tải điện đặt lên hàng đầu Em may mắn nhận đề tài “Nghiên cứu điện áp đường dây phân phối phần mềm ATP/EMTP” hướng dẫn thầy Lê Kỷ Trong trình nghiên cứu học tập em học hỏi tích lũy nhiều kiến thức quý báu lĩnh vực cao áp Một lần em xin cảm ơn thầy Lê Kỷ anh Thiện nhiệt tình bảo hướng dẫn em nghiên cứu phần mềm ATP/EMTP, từ đị giúp em có thêm kiến thức để chuẩn bị cho Luận văn tốt nghiệp tới Sinh viên Ngô Tiến Đạt CHƯƠNG I SÉT - NGUỒN GỐC CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN 1.1 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT Sét thực chất dạng phóng điện tia lửa khơng khí với khoảng cách lớn Chiều dài trung bình khe sét khoảng 3÷5 km, phần lớn chiều dài phát triển đám mây dơng Q trình phóng điện sét tương tự q trình phóng điện tia lửa điện trường không đồng với khoảng cách phóng điện lớn Chính tương tự cho phép mơ sét phịng thí nghiệm để nghiên cứu qui luật nghiên cứu biện pháp bảo vệ chống sét Hiển nhiên, sét khác với phóng điện khơng khí tiến hành phịng thí nghiệm khơng qui mơ mà đặc điểm riêng biệt nguồn điện áp tức đám mây dơng tích điện Thực tế, hình thành dơng ln ln gắn liền với xuất luồng không khí nóng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng khơng khí tạo thành đốt nóng mặt đất ánh nắng mặt trời, đặc biệt vùng cao (dông nhiệt) gặp luồng khơng khí nóng ẩm với khơng khí lạnh nặng (dơng front), luồng khơng khí nóng ẩm bị đẩy lên Ở vùng đồi núi cao, luồng khơng khí nóng ẩm trườn theo sườn núi lên cao dịng địa hình Sau đạt độ cao định (khoảng vài km trở lên), luồng khơng khí nóng ẩm vào vùng nhiệt độ âm, bị lạnh đi, nước ngưng tụ lại thành giọt nước li ti thành tinh thể băng Chúng tạo thành đám mây dơng (H.1.1), cịn gọi mây tích vũ (Cumuloninbus) Hình 1.1 Sự phân bố điện tích đám mây dông Từ lâu, người ta khẳng định nguồn tạo điện trường khổng lồ mây dơng mặt đất điện tích tích tụ hạt nước li ti tinh thể băng đám mây dơng Nhưng đâu có nhiễm điện hạt nước tinh thể băng phân li điện tích có nhiều giả thuyết khác chưa hồn tồn trí (trong phạm vi sách không sâu vào giả thuyết đó) Ví dụ, có giả thuyết cho rằng, tác dụng điện trường đất (quả đất mang điện tích âm khoảng – 5,4×10+5C), hạt nước bị phân cực, đầu nhận điện tích dương đầu nhận điện tích âm (H.1.2) Các giọt nước lớn, trọng lượng rơi xuống gặp ion tự (gần mặt đất có khoảng 600 đơi ion cm3 khơng khí, lên cao mật độ ion cao) bay chậm không khí, hấp thụ ion âm đầu dương phía trước đẩy ion dương tự xa Kết giọt nước mang điện tích âm thừa Các giọt nước bé phân cực, bị luồng khơng khí đẩy lên phía hấp thụ ion dương đầu âm mình, đẩy ion âm tự xa mang điện tích dương thừa Như theo giả thuyết này, phần đám mây dông mang điện tích âm, phù hợp với thực tế phần lớn phóng điện sét xuống đất (80÷90%) có cực tính âm Nhưng giả thuyết chưa giải thích thực tế, nửa thể tích đám mây tạo thành từ giọt nước mà từ tinh thể băng tuyết mà hình dạng cấu tạo chúng làm cho chúng khó bị phân cực điện trường đất Tóm lại, giả thuyết chưa giải thích cách triệt để nguồn điện tích đám mây dơng phân li chúng, khiến người ta nghĩ thực tế có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động phức tạp Nhưng có điều chắn suốt dơng, điện tích dương điện tích âm bị luồng khơng khí mãnh liệt tách rời nhau, gắn liền với phân bố tinh thể băng tuyết tầng đỉnh giọt nước mưa tầng đáy đám mây dông Sự tách rời điện tích tùy thuộc vào độ cao đám mây, nằm khoảng từ 200÷10.000m, với tâm chúng cách ước khoảng từ 300÷5000m Lượng điện tích đám mây tham gia vào sét vào khoảng từ 1÷100C cao Điện đám mây dơng vào khoảng 107÷108V Năng lượng tỏa sét khoảng 250kWh Kết quan trắc cho thấy phần đám mây dơng chủ yếu chứa điện tích âm, cảm ứng mặt đất điện tích dương tương ứng tạo nên tụ điện khơng khí khổng lồ Cường độ điện trường trung bình nơi đồng thường 1kV/cm, cá biệt nơi mật độ điện tích cao, nơi có vật dẫn điện tốt nhô lên cao mặt đất điện trường cục cao nhiều đạt đến ngưỡng ion hóa khơng khí (ở mặt đất trị số 25÷30kV/cm lên cao giảm, độ cao vài km giảm khoảng 10kV/cm) gây ion hóa khơng khí tạo thành dịng plasma, mở đầu cho q trình phóng điện sét phát triển mây dơng mặt đất Q trình phóng điện sét gồm có ba giai đoạn chủ yếu: 1- Thoạt tiên xuất phát từ mây dông dải sáng mờ kéo dài đợt gián đoạn phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105÷106 m/s Đấy giai đoạn phóng điện tiên đạo đợt gọi tiên đạo bậc (stepped leader) Kênh tiên đạo dịng plasma mật độ điện tích khơng cao lắm, khoảng 1013÷1014 ion/m3 Một phần điện tích âm mây dông tràn vào kênh phân bố tương đối dọc theo chiều dài (H.1.3a) Hình 1.3 Các giai đoạn phóng điện sét biến thiên dịng điện sét theo thời gian a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo (1) b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất, hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt (2) c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu (3) d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại (4) Thời gian phát triển tia tiên đạo đợt kéo dài trung bình khoảng µs, tương ứng tia tiên đạo dài thêm trung bình khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét Thời gian tạm ngưng phát triển gia hai t liờn tip khong 30ữ90às in tớch õm từ mây tràn vào kênh tiên đạo Q = σl với l chiều dài kênh Điện tích thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất lần phóng điện sét Dưới tác dụng điện trường tạo nên điện tích âm mây dơng điện tích âm kênh tiên đạo, có tập trung điện tích cảm ứng trái dấu (điện tích dương) vùng mặt đất phía đám mây dơng Nếu vùng đất phía có điện dẫn đồng nơi điện tích tập trung nằm trực tiếp kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía có điện dẫn khác điện tích cảm ứng tập trung chủ yếu vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sơng ngịi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại nhà cao tầng, cột điện, cao bị ướt mưa nơi thường nơi đổ sét Cường độ điện trường đầu kênh tiên đạo phần lớn giai đoạn phát triển (trong mây dơng), xác định điện tích thân kênh điện tích tích tụ đám mây Đường kênh giai đoạn khơng phụ thuộc vào tình trạng mặt đất vật thể mặt đất, phương có cường độ điện trường cao phụ thuộc vào nhiều nhân tố ngẫu nhiên phức tạp Chỉ kênh tiên đạo cách mặt đất độ cao (độ cao định hướng), thấy rõ dần ảnh hưởng tập trung điện tích mặt đất vật dẫn nhô khỏi mặt đất hướng phát triển tiếp tục kênh Kênh phát triển theo hướng có cường độ điện trường lớn Như vậy, vị trí đổ sét mang tính chọn lọc Trong kỹ thuật, người ta lợi dụng tính chọn lọc để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho cơng trình, cách dùng dây thu sét kim loại nối đất tốt, đặt cao cơng trình cần bảo vệ để hướng sét phóng vào đó, hạn chế khả sét đánh vào cơng trình Ở vật dẫn có độ cao lớn nhà chọc trời, cột điện đường dây cao áp, cột anten đài thu phát thanh, truyền hình, bưu điện từ đỉnh nó, nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều làm cho cường độ trường cục tăng cao đồng thời xuất ion hóa khơng khí, tạo nên dịng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông Chiều dài kênh tiên đạo từ lên tăng theo độ cao vật dẫn, đạt đến độ cao vài trăm mét tạo điều kiện dễ dàng cho định hướng sét vào vật dẫn Q trình thường gọi q trình phóng điện đón sét Những đầu thu sét hệ xuất vào năm thập kỷ 80 90 kỷ ứng dụng hiệu ứng để tăng khả đón bắt kênh tiên đạo từ mây dơng xuống, hạn chế xác suất sét đánh vào cơng trình bảo vệ 2- Giai đoạn phóng điện (hay phóng điện ngược) Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất (thời gian vào khoảng 20ms) tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều, bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chính, tương tự q trình phóng điện ngược chất khí điện trường khơng đồng (H.1.3.b) Trong khoảng cách khí cịn lại đầu kênh tiên đạo mặt đất (hoặc hai đầu kênh tiên đạo ngược chiều) cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt khơng khí, dẫn đến hình thành dịng plasma mới, có mật độ điện tích cao nhiều so với mật độ điện tích kênh tiên đạo (10 16 ÷1019 ion/m3), điện dẫn tăng lên hàng trăm, hàng ngàn lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dịng ngược trung hịa điện tích âm kênh tiên đạo trước thực tế đầu dòng mang điện đất, làm cho cường độ điện trường khu vực tiếp giáp hai dòng plasma ngược chiều tăng lên gây ion hóa mãnh liệt khơng khí khu vực đầu dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên theo đường dọn sẵn kênh tiên đạo Tốc độ kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5×10 ÷1,9 × 8m/s (bằng 0,05÷0,5 tốc độ ánh sáng) tức nhanh gấp trăm lần tốc độ phát triển dịng tiên đạo (H.1.3c) Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên kênh phóng điện sáng chói chang (đó tia chớp) Nhiệt độ kênh phóng điện đến vài ba chục ngàn oC, (gấp vài ba lần nhiệt độ bề mặt mặt trời) Và dãn nở đột ngột khơng khí bao quanh kênh phóng điện tạo nên đợt sóng âm mãnh liệt, gây nên tiếng nổ chát chúa (đó tiếng sấm) tiếng rền ì ầm kéo dài Đặc điểm quan trọng phóng điện cường độ dịng lớn Nếu v tốc độ phóng điện chủ yếu σ mật độ đường điện tích dịng điện sét đạt giá trị cao kênh phóng điện lên đến đám mây dơng Is = σ.v (H.1.3d) Đó dịng ngắn mạch khoảng cách khí mây-đất, có trị số từ vài kA đến vài trăm kA 3- Giai đoạn kết thúc đánh dấu kênh phóng điện lên tới đám mây, điện tích cảm ứng từ mặt đất theo lên, tràn vào trung hịa với điện tích âm đám mây, phần nhỏ số điện tích cịn lại mây theo kênh phóng điện chạy xuống đất tạo nên chỗ sét đánh dịng điện có trị số giảm dần tương ứng phần sóng xung dịng sét Sự tỏa sáng mờ dần Trong 50% trường hợp, tháo điện tích xuống đất tạo nên dịng khơng đổi khoảng 100A, kéo dài đến 0,1s Do thời gian kéo dài nên hiệu ứng nhiệt gây nên khơng phần nguy hiểm cho cơng trình bị sét đánh Kết quan trắc sét cho thấy rằng, sét thường gồm nhiều lần phóng điện nhau, trung bình ba lần, nhiều đến vài ba chục lần Thời gian lần phóng điện trung bình khoảng 30÷50ms, kéo dài đến 0,1s có dịng khơng đổi giai đoạn kết thúc Các lần phóng điện sau có dịng tiên đạo phát triển liên tục (không phải đợt lần đầu), không phân nhánh theo quĩ đạo lần đầu với tốc độ cao (2.106m/s), thường gọi tiên đạo hình kim (needle leader) cịn có tên gọi tiên đạo hình mũi tên (dart leader) Mỗi lần phóng điện tạo nên xung dịng sét Các xung sét sau thường có biên độ bé hơn, độ dốc đầu sóng cao nhiều so với xung Một sét kéo dài đến 1,33s 1- Giai đoạn tiên đạo; 2- Giai đoạn phóng điện chủ yếu; 3- Giai đoạn sau phóng điện - sáng mờ; 4- Tia tiên đạo hình mũi tên hình kim; 5- Giai đoạn tiên đạo cú sét kế tục; 6- Dòng điện tiên đạo; 7- Dòng điện chủ yếu; 8- Dòng điện giai đoạn sáng mờ Hình 1.4 Quá trình phát triển phóng điện sét Sự phóng điện nhiều lần sét giải thích sau: Đám mây dơng có nhiều trung tâm điện tích khác nhau, hình thành dịng khơng khí xốy mây Lần phóng điện đầu tiên, dĩ nhiên xảy đất trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo hiệu trung tâm điện tích với trung tâm điện tích khác kế cận thực tế khơng thay đổi đáng kể có ảnh hưởng qua lại chúng Nhưng kênh phóng điện chủ yếu lên đến mây trung tâm điện tích đám mây thực tế mang điện đất làm cho hiệu trung tâm điện tích phóng với trung tâm điện tích lân cận tăng lên dẫn đến phóng điện chúng với Quá trình xảy nhanh Trong kênh phóng điện cũ điện dẫn định khử ion chưa hồn tồn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo quĩ đạo đó, liên tục với tốc độ cao lần đầu Phóng điện sét xảy đám mây mang điện tích khác trung tâm điện tích đám mây lưỡng cực, nhiên điện áp hệ thống điện, hỏa hoạn hư hỏng cơng trình mặt đất xảy có phóng điện sét phía mặt đất Vì vậy, xét đến sét mây dông mặt đất tác hại hệ thống điện Sét mây - đất xảy với tiên đạo mang điện tích dương xuất phát từ phần mang điện tích dương đám mây, thấy Loại sét dương có xung nhất, có biên độ dịng tổng điện tích lớn, thời gian sóng kéo dài Tác dụng phá hoại lớn, đặc biệt hiệu ứng nhiệt 1.2 CÁC THAM SỐ CHỦ YẾU CỦA SÉT - CƯỜNG ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA SÉT Dòng điện sét hình 1.5, có dạng sóng xung Trung bình khoảng vài ba micro giây, dịng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng sau giảm xuống chầm chậm khoảng 20ữ100às, to nờn phn uụi súng S lan truyn sóng điện từ tạo nên dịng điện sét gây nên điện áp hệ thống điện, cần phải biết tham số chủ yếu - Biên độ dòng điện sét với xác suất xuất - Độ dốc đầu sóng dịng điện sét thời gian đầu sóng τ đs với xác suất xuất - Độ dài sóng dịng điện sét τs (tức thời gian dòng sét giảm cịn 1/2 biên độ nó) - Cực tính dịng điện sét Ngồi ra, phải biết cường độ hoạt động trung bình sét tức số ngày có dơng sét trung bình tổng số có dơng sét trung bình năm khu vực lãnh thổ mật độ trung bình sét khu vực đó, tức số lần sét đánh vào đơn vị diện tích mặt đất (1km2) ngày sét Ở nhiều nước phát triển xây dựng đồ phân vùng hoạt động sét 1.2.1 Biên độ dòng điện sét xác suất xuất Dịng điện sét có trị số lớn vào lúc kênh phóng điện lên đến trung tâm điện tích đám mây dơng Nếu nơi (vật) bị sét đánh có nối đất tốt, điện trở nối đất khơng đáng kể, trị số lớn dịng điện sét, trình bày trên, is =σ.v Nhưng điện trở nối đất vật bị sét đánh có trị số R dịng điện sét qua vật giảm theo quan hệ: z0 z0 + R is =σ.v với zo tổng trở sóng khe sét, có trị số khoảng 200 ÷ 500 Ω, trung bình 300Ω Như vậy, điện trở nối đất R thay đổi từ 30÷ Ω dịng điện qua vật bị sét đánh giảm khoảng 10% Điện trở nối đất cột dây thu sét hệ thống điện thường q 20 ÷ 30 Ω , nên tính tốn lấy gần trị số cực đại dòng điện sét is =σ.v Hình 1.6 Thiết bị xác định biên độ dịng điện sét Để đo biên độ dòng điện sét từ lâu người ta dùng rộng rãi hệ thống điện thiết bị ghi từ Đó hình trụ bột sắt từ trộn với keo cách điện ép lại Thanh gắn vào cột thu sét hay cột điện, song song với đường sức từ trường dòng điện sét chạy qua cột bị sét đánh Nhờ làm vật liệu sắt từ nên trì độ từ dư lớn Cuối mùa sét người ta tháo thiết bị ghi từ, đo lượng từ dư xác định dòng điện sét lớn chạy qua cột Độ xác thiết bị từ khơng cao nhược điểm bù lại số lượng lớn thiết bị đặt hệ thống điện (đến hàng chục ngàn chiếc) Kết đo đạc nhiều năm nhiều nơi cho thấy biên độ dòng điện sét biến thiên phạm vi rộng, từ vài kA đến vài trăm kA, phần lớn thường 50kA vượt 100kA Trong tính tốn chống sét dùng qui luật phân bố xác suất biên độ dòng điện sét gần sau, cho vùng đồng bằng: vis = e −is / 26 = 10 − is / 60 với vis xác suất xuất dịng điện sét có biên độ lớn is Ví dụ: xác suất phóng điện sét có biên độ dịng điện sét is ≥60 kA bằng: lg vis = − 60 = −1 60 ; vis = 0,1 = 10% Có nghĩa tổng số lần sét đánh có 10% số lần sét có biên độ dịng điện sét từ 60 kA trở lên Dịng điện sét có biên độ từ 100 kA trở lên thường xảy ra, nên phải dùng đến thiết kế chống sét cho trạm phân phối vô quan trọng