BẢO vệ CHỐNG QUÁ điện áp KHÍ QUYỂN CHO TRẠM BIẾN áp 220110 kv và ĐƯỜNG dây tải điện TRÊN KHÔNG 220 kv

Trong phần này ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây, trên cơ sở đó xác định đợc các phơng hớng và biện pháp để giảm số lần cắt điện của đờng dâycần bảo vệ.. Số lần phón

Trị số của quá điện áp khí quyển là rất lớn nên không thể chọn mức cách điện của

đờng dây đáp ứng đợc hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp mà chỉ có thể chọn theomức hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đờngdây 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

đó xác định đợc các phơng hớng và biện pháp để giảm số lần cắt điện của đờng dâycần bảo vệ

3.1 Các yêu cầu kỹ thuật:

Việc đa ra chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây là một vấn đề phức tạp Nó phụthuộc vào nhiều yếu tố nh kết cấu, yêu cầu cung cấp điện vì vậy khó có thể đa ramột chỉ tiêu chung Do đó trong tính toán hiện nay của bảo vệ chống sét tính với thờigian một năm hoặc một trăm giờ sét cho chiều dài 100km đờng dây có thể so sánh vớicác chỉ tiêu chống sét của các đờng dây điển hình Các đờng dây này qua kinh nghiệmthiết kế và vận hành đã đợc xác nhận mức độ bảo vệ chống sét là hợp lý Nếu so sánhchỉ tiêu bảo vệ chống sét của đờng dây thiết kế kém hơn nhiều so với các đờng dây

điển hình thì cần có biện pháp tăng cờng bảo vệ chống sét nh đặt thêm dây chống sét,giảm góc bảo vệ, giảm điện trở nối đất

- 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.

b Mật độ sét

Để tính toán số lần có phóng điện xuống đất cần biết về số lần có sét đánh trêndiện tích 1km2 mặt đất ứng với một ngày sét, nó có trị số khoảng ms = 0,1  0,15lần/km2.ngày sét Từ đó sẽ tính đợc số lần sét đánh vào các công trình hoặc lên đờngdây tải điện Kết quả tính toán này cho một giá trị trung bình.

3.2.2 Sô lần sét đánh vào đờng dây.

Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đờng dây đi qua, có thểtính 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 dâytrong một 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 sốkhác nhau Ngời ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đờng dây có dây chống sétthành ba khả năng

N : tổng số lần sét đánh vào đờng dây

 : là xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn,

nó phụ thuộc vào góc bảo vệ  và đợc xác định theo công thức sau:

490

hc : là chiều cao của cột(m)

3.2.3 Số lần phóng điện do sét đánh vào đờng dây

Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đờng dây ( sứ và khoảngcách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét ) có thể gây ra phóng điện Khả năngphóng điện đợc đặc trng bởi xác suất phóng điện Vpđ Nh thế ứng với số lần sét đánh

Ni số lần phóng điện :

Npđi = Ni Vpđ (3 - 7) Xác suất phóng điện Vpđ phụ thuộc trị số của quá điện áp và đặc tính cách điện(V – S ) của đờng dây

 d d. 

pd P U cd U pd

   (3 - 8)

3.2.4 Số lần cắt điện do sét đánh vào đờng dây

Khi có phóng điện trên cách điện của đờng dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu cóxuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện Xác suất hình thành hồ

cách điện của đờng dây Có thể xác định  theo bảng sau

Ulv : điện áp pha làm việc

Lcs : chiều dài chuỗi sứ

Đối với đờng dây dùng cột gỗ tính theo công thức

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)

3.2.5 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 đờng dây

Npđc =

50%

260 50%

(15,6 23,4) .

.

U s

n h e U





(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 )

điện áp cảm ứng có trị số bé và trong cách tính toán có thể bỏ qua thành phần này

3.3 Trình tự tính toán:

3.3.1 Các thông số cho trớc:

- Đờng dây 220kV, loại cột sắt 02 mạch, 02 dây chống sét, chiều cao cột33m

ứng suất cho phépcp 12,87(daN mm/ 2) 13,12( kg mm/ 2),hệ số giãn nở nhiệt

Nhiệt độ ứng với trạng thái bão: bao 250C.

min 5

Từ đây ta tính đợc lgh :

2 1

2 3

min ) (

24

g g

cp gh

Vậy độ võng của dây dẫn là 3,9 m

- Độ võng của dây chống sét:

Dây chống sét là dây C-70 có các thông số là:

phép cp 31(daN/mm2),hệ số giãn nở nhiệt  12.10 1/ C 6 0

Tính toán tơng tự nh với dây dẫn ta có độ võng cuả dây chống sét là 3,4 m

Nh vậy độ võng của dây chống sét nhỏ hơn độ võng của dây dẫn và đều thoả mãnkhoảng cách an toàn

Cách điện là chuỗi sứ dùng loại   4.5 có 13 bát, chiều cao 170mm/1bát, nh vậychiều dài chuỗi sứ là: 13 170 2210  (mm)

Vậy dây đờng dây có:

Lo¹i d©y §é vâng §é treo cao

A

Do có 2 dây chống sét nên khi cha xét ảnh hởng của vầng quang thì hệ sốngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét đợc tính nh sau:

0

ln2ln

td td td td

D d K

h r

 (3-11)

Trong đó các hệ số trên đợc xác định bằng phép chiếu gơng qua mặt phẳng

đất:

d31; d32: Kho¶ng c¸ch gi÷a d©y dÉn vµ hai d©y chèng sÐt

D31 ;D32: Kho¶ng c¸ch gi÷a d©y dÉn vµ ¶nh cña hai d©y chèng sÐt

Kho¶ng c¸ch gi÷a d©y dÉn pha A vµ ¶nh cña d©y chèng sÐt:

0,128

td td td td

D d h r

0,128

td td td td

D d h r

td td td td

D d h r



260ln

tb dd dd

h Z

r

Trong đó:

tb dd

h : độ cao treo dây trung bình của dây

điện dung tăng lên làm cho tổng trở sóng giảm Vì vậy ta cần phải hiệu chỉnh lạibằng cách lấy tổng trở sóng Zcs chia cho hệ số hiệu chỉnh .

488, 43

375,711,3

A AVQ

Z Z



471,81

362,931,3

B BVQ

Z Z



448,76

345, 21,3

C CVQ

Z Z



319,63

245,871,3

CS CSVQ

Z Z

Trong thiết kế tính toán ta chọn N = 249 lần/100km/1năm

4) Tính suất cắt của đờng dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây pha.



 

Ta có góc bảo vệ của dây chống sét đối với dây pha A là góc bảo vệ lớn nhất

và dây dẫn pha A cũng nằm cao nhất, cho nên ta giả thiết tất cả sét đánh vòng quadây chống sét đều đánh vào pha A:

Khi dây dẫn bị sét đánh thì ta có thể xem mạch của khe sét ghép nối tiếp vớitổng trở sóng của dây dẫn có trị số bằng Zdd/2 (dây dẫn ghép song song nhau) Ta cótổng trở sóng của khe sét Z0 vào khoảng 200 và tổng trở sóng của dây dẫn Zdd vào

I I

e  víi U50%dd 1140 kV

4 1140 26,1 375,71 0,628

U E

57,470,647

Z 0 Z cs /2 Zcs /2

l/2

Ucs



Hình 3-6: Mạch sét khi đánh vào khoảng vợt

Khi sóng điện áp truyền tới các cột lân cận do điện trở của cột điện rất bé sovới tổng trở sóng của dây chống sét nên sóng sẽ bị phản xạ âm toàn phần Để đơngiản ta giả thiết là sét đánh vào chính giữa khoảng vợt, nghĩa là các sóng phản xạcũng đồng thời trở về điểm sét đánh Vì tổng trở Z0 có giá trị gần bằng tổng trở xungkích của dây chống sét cho nên không có sóng phản xạ và khúc xạ tiếp và điện áp tại

điểm này đợc xác định gần đúng theo sơ đồ trên

Giả thiết dòng điện sét có dạng siên góc:

Ta tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:

- Độ dài đầu sóng  đs biến thiên từ 1 đến 10 s

Điện áp đặt lên chuỗi sứ cách điện khi sét đánh vào khoảng vợt đờng dây là:

Ucđ(a,t): Điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ

R at a

U a t  L   K U

TiÕn hµnh tÝnh to¸n víi c¸c th«ng sè biÕn thiªn:

TiÕn hµnh tÝnh to¸n víi c¸c th«ng sè biÕn thiªn:

TiÕn hµnh tÝnh to¸n víi c¸c th«ng sè biÕn thiªn:

§Æc tÝnh Vol – gi©y (V-S) cña chuçi sø c¸ch ®iÖn:

U p® (kV) 1020 960 900 855 830 810 805 800 797 795

Từ các bảng thống kê trên ta vẽ đợc đồ thị:

Hình: 3-7: Đồ thị điện áp đặt lên chuỗi sứ khi Rc=15Ω

Hình 3-8: Đồ thị điện áp đặt lên chuỗi sứ khi Rc=20Ω

Hình 3-9: Đồ thị điện áp đặt lên chuỗi sứ khi Rc=25Ω

Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì sẽ

có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định đợc các cặp thông số nguy hiểm (ai, ti)

phóng điện sét (I, a) thuộc miền nguy hiểm:

Khi mà biên độ dòng điện sét nhỏ, để qúa trình phóng điện xảy ra thì độ dốccủa dòng điện sét lại cần phải rất lớn do đó xác suất này xảy ra cũng thấp.

Từ nhận sét trên ta có đợc kết luận:

Để tính xác suất  pđ ta chỉ cần tính xác suất  pđ trong miền a100s

Nhng ta không thể xác định đợc hàm phụ thuộc f(i) mà chỉ có các thông sốrời rạc không liên tục do đó cần phải chia miền để tính:

pđ I I a i i

/

t i (s) - 6,51 4,62 3,35 2,74 2,22 1,84 1,65 1,32 1,1 I(kA) - 130,2 138,6 134,0 137,0 133,2 128,8 132,0 118,8 110,0

6).Tính suất cắt của đờng dây 220 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận

đỉnh cột:

Để đơn giản ta cho rằng sét đánh vào đúng đỉnh cột nh hình vẽ, khi đó phầnlớn dòng điện sét Is bị tản vào trong đất qua bộ phận nối đất của cột điện, phần cònlại rất nhỏ sẽ đi theo dây chống sét đi vào đất qua bộ phận nối đất của cột lân cận

Khi có quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện đờng dây, thì có quá

điện áp đặt lên cách điện của đờng dây và điện áp này đợc xác định theo công thức:

mặt đất tới điểm treo dây dẫn

cảm giữa khe phóng điện sét với mạch vòng dây dẫn - đất, trị số này phụ thuộc vàothời gian do chiều dài khe phóng điện sét tăng cùng với sự phát triển của phóng điệnngợc.

s di a

- kucs(a,t) điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện đi trong dây chống sét,

có điên áp là u t cs( ) Mà k là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét

L điện cảm của phần thân cột tính từ mặt đất đến điểm treo dâychống sét

1, 67300



Sơ đồ tơng đơng của mạch dẫn dòng điện sét nh ở hình (3-10):

Trong sơ đồ dòng điện sét đợc coi nh một nguồn dòng, coi thành phần từ của

điện áp cảm ứng trên dây chống sét nh một nguồn áp

Dây chống sét đợc thay bằng một tổng trở sóng có kể đến ảnh hởng của vầngquang

Trong đó:

hởng của vầng quang đã đợc tính ở phần trớc:

cs cs

Z l L

cs cs c

c cs

Đối với các pha khác nhau khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột thì

điện áp giáng trên cách điện của đờng dây của các pha khác nhau là khác nhau, vớicùng một dạng sóng sét thì chuỗi cách điện của pha nào chịu điện áp lớn hơn thì pha

c cs

cs cs c

di a t L

- ( , )

11, 4 7,57 86, 298

dd c c

di a t L

di a t L

Ta xác định từng thành phần của điện áp theo a, t:

Cho t chạy từ 0 đến 10 s và cho a chạy từ 10 đến 100 kA/s

1

22

vq

cs c cs c

2

22

c cs

cs cs c

a



Cho a, t biến thiên ta có các giá trị của ic(a,t) sau:

+ Giá trị của ic(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột với RC= 15:

+ Giá trị của ic(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột với RC= 20:

+ Giá trị của di (a,t)c

dt khi sét đánh vào đỉnh cột với RC= 15:

+ Giá trị của di (a,t)c

dt khi sét đánh vào đỉnh cột với RC= 20:

+ Giá trị của di (a,t)c

dt khi sét đánh vào đỉnh cột với RC= 25:

+ Giá trị của u a t cđ( , ) khi sét đánh vào đỉnh cột với RC = 20:

Đồ thị ucđ( a , t )  f ( a , t ) khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột:+ Với giá trị của điện trở cột là: Rc = 15

Đồ thị ucđ( a , t )  f ( a , t ) khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột:

+ Với giá trị của điện trở cột là: Rc = 20

Đồ thị ucđ( a , t )  f ( a , t ) khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột:

+ Với giá trị của điện trở cột là: Rc = 25

Từ đồ thị biểu diễn quan hệ ucđ( a , t )  ( a , t ) ta xác định đợc đờng congnguy hiểm Ii = aiti Khi sóng sét ở trong vùng nguy hiểm thì có phóng điện trên cách

điện của đờng dây Xác suất này đợc tính bằng xác suất của dòng điện sét có biên

độ I lớn hơn môt Ii nào đó, đồng thời có độ dốc a lớn hơn độ dốc ai ứng với Ii trên ờng cong nguy hiểm

đ-Cách xác định xác suất này tơng tự với cách xác định xác suất phóng điện khisét đánh vào khoảng vợt

Xác suất phóng điện  pđ là xác suất để cho cặp thông số nguy hiểm củaphóng điện sét (I, a) thuộc miền nguy hiểm:

Khi dòng điện sét có biên độ lớn thì xác suất xuất hiện lại nhỏ

Khi mà biên độ dòng điện sét nhỏ, để qúa trình phóng điện xảy ra thì độ dốccủa dòng điện sét lại cần phải rất lớn do đó xác suất này xảy ra cũng thấp

Từ nhận xét trên ta có đợc kết luận:

Để tính xác suất  pđ ta chỉ cần tính xác suất  pđ trong miền a100s Nhng ta không thể xác định đợc hàm phụ thuộc f(i) mà chỉ có các thông sốrời rạc không liên tục do đó cần phải chia miền để tính:

pđ I I a i i

0,15 0,023 0,606

= 0,778 lần/100km/nămChỉ tiêu chống sét của đờng dây tải điện:

1, 280,778

6 1

0,15 0,08 0,797

= 1,027 lần/100km/nămChỉ tiêu chống sét của đờng dây tải điện:

0,971,027

0,15 0,6 1,01

= 1,76 lần/100km/năm

Chỉ tiêu chống sét của đờng dây tải điện:

0,561,76

Kết luận:

Chỉ tiêu chống sét của đờng dây tơng đối thấp

Để giảm suất cắt điện thì một biện pháp hữu hiệu là giảm điện trở nối đất Rc,ngoài ra ta còn có thế giảm suất cắt điện bằng cách giảm chiều dài khoảng cột hoặcgiảm chiều cao cột