Quá điện áp trong hệ thống điện

Truyền sóng trên đường dây 1 Chọn kết cấu đường dây cấp điện áp: 110 kV 2 Tính toán các tham số truyền sóng trên đường dây 3 Thành lập hệ phương trình truyền sóng trên đường dây 4 Tính t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Môn học: Quá điện áp trong hệ thống điện

Giảng viên: TS Lê Kỷ

CÂU HỎI

CHƯƠNG I Truyền sóng trên đường dây

1) Chọn kết cấu đường dây cấp điện áp: 110 kV

2) Tính toán các tham số truyền sóng trên đường dây

3) Thành lập hệ phương trình truyền sóng trên đường dây

4) Tính toán tham số truyền sóng theo kênh Modal (chỉ tính đối với 3 pha của đường dây)

CHƯƠNG II Tính suất cắt đường dây

1) Xác định phạm vi bảo vệ đường dây theo phương pháp MHĐHH tại vị trí cột điện

2) Tính góc bảo vệ thực tế và góc bảo vệ “hoàn hảo” của đường dây tại vị trí cột3) Tính suất cắt của đường dây theo 2 phương pháp

CHƯƠNG III Kết luận

CHƯƠNG I TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY

I TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY

1. Chọn kết cấu đường dây cấp điện áp 110kV (Hình vẽ 1.1):

Chọn kết cấu đường dây 110kV Núi Bút(Quảng Ngãi) – Tư Nghĩa,

(mạch đơn), với các thông số cơ bản sau:

- Số mạch: 01 mạch, chiều dài đường dây 10km

- Chiều dài các khoảng cột trung bình: 250m

- Dây dẫn: Sử dụng dây dẫn ACSR185/29 có tiết diện 1x185 = 185(mm2), đường kínhmỗi dây dẫn d = 18,8mm

- Dây chống sét: Treo 01 dây chống sét mã hiệu OPGW-57 có đường kính d = 11mm

- Cách điện: Sử dụng cách điện loại bằng thủy tinh Chuỗi đỡ dây dẫn dùng loại 08bát cách điện cao 127mm, chiều dài chuỗi cách điện và phụ kiện l = 2000mm Chiềudài khoá đỡ dây chống sét OPGW-57 và phụ kiện l = 250mm

- Cột: Sử dụng cột thép mạ kẽm nhúng nóng kết cấu 110kV loại 1 mạch, liên kếtbằng bu lông

- Khoảng cách trung bình giữa dây dẫn và dây chống sét là s = 5,4m

- Xà: Xà trên cột thép được chế tạo liền theo cột

- Móng: Móng trụ, mỗi vị trí 4 trụ móng

- Điện trở nối đất cột điện đường dây Rc= 11,5Ω

- Độ võng dây dẫn fdd =5,2m tại nhiệt độ 40oC

- Độ võng dây chống sét fcs = 3,4m tại nhiệt độ 40oC

- Điện áp U50% = 650kV (theo IEC 1987)

- Dây dẫn được xem như đồng chất

- Tuyến đường dây xem như hoán vị đều

2 Tính toán các tham số truyền sóng trên đường dây:

2.1 Tính

điện cảm của

2600 2600

1000 2600

Hình vẽ 2.1: Bố trí dây dẫn đường dây mạch đơn.

Bán kính thật của dây dẫn ACSR 185/29:

r = 18,80 x 10-3 /2 = 9,4 x 10-3 [m]

Từ Hình vẽ 2.1 ta có:

DAB = 4mDBC = 5,2 mDAC = 6,56 m

=> Khoảng cách trung bình hình học GMD giữa các pha

2.2 Tính điện dung của đường dây:

Điện dung cho mỗi pha là:

Vì đường dây có khoảng cách pha bé so với độ cao so với mặt đất của dây dẫn nên ta

có thể tính gần đúng như sau Với ε0 = 1/(4π.9.109) (F/m)

12

-9 0

3

8,81.105,15

9, 4.10

C

GMD r

3 Thành lập hệ phương trình truyền sóng trên đường dây

hp

(Hình 3.1)

(3.1)

Un = Zn1.I1 + Zn2.I2 + Zn3.I3 +…+ Znn.In Dạng ma trận tổng quát của hệ phương trình có dạng.

|U| = |Z|.|I|

Trong đó: [U] vecto cột điện áp của các dây dẫn

[I] vecto cột dòng điện trong dây dẫn ở thời điểm t

pk

pk

b Z

1' 2'

3' 4'

dcs

dd

dd dd

Áp dụng hệ phương trình Maxwell cho sơ đồ trên, ta có hệ phương trình truyền sóngcho 1 dây chống sét và 3 dây dẫn là:

U1 = Z11.I1 + Z12.I2 + Z13.I3 + Z14.I4U2 = Z21.I1 + Z22.I2 + Z23.I3 +Z24.I4U3 = Z31.I1 + Z32.I2 + Z33.I3 +Z34.I4U4 = Z41.I1 + Z42.I2 + Z43.I3 + Z44.I4 Sét đánh vào dây chống sét nên ta có:

U1 = U và I2 = I3 = I4 = 0 Vậy HPT 3.2 trở thành

U = Z11.I1 U2 = Z21.I1 U3 = Z31.I1 U4 = Z41.I1

( )

21' 21

d

( )

31' 31

d

( )

41' 41

4 Tính toán tham số truyền sóng theo kênh Modal (tính 3 pha của đường dây)

Một phương pháp phân tích một hệ phương trình thành các biến số độc lập và trựcgiao; thường được dùng để phân tích sự biến đổi về không gian của các sóng điện từ thànhcác thành phần mà mỗi trong số chúng thỏa mãn các điều kiện biên, hay phân tích hoạt độngcủa một hệ thống điều khiển

Trước hết ta thành lập các ma trận tổng dẫn và tổng trở:

2

2 =Z.Y=L.K.p

Γ : hệ số lan truyền sóngVà:

BC BB

BA

AC AB

AA

L L

L

L L

L

L L

L p L p Z

Để tính các giá trị điện cảm riêng và điện cảm tương hỗ của đường dây trong ma trận

ta dùng phương pháp soi gương

A

BC

2'

3' 4'

A’

(4.1)

,8

10.85,8.14,3

d N

N

K

AB

AB AB

AB

4

42lnln

,2

10.85,8.14,3

d N

N

K

AC

AC AC

AC

65,5

3,42lnln

[ ]m

12

10.6,27013

,2

10.85,8.14,3

h N

N

K

B

BB BB

BB

10.4,9

38lnln

;

2

3 '

,8

10.85,8.14,3

d N

N

K

BC

BC BC

BC

2,5

3,38lnln

,1

10.85,8.14,3

d N

N

K

C

CC CC

CC

10.4,9

38lnln

;

2

3 '

,8

10.85,8.14,3

9,27761,23

6,2761,2353,6

1

3/13/10

3/13/13/2

/1

12/32/1

101

AB AA

AB AA

AB AA

L L

L L

L L

20

0

00

00

07,210

003,12

−

AB AA

AB AA

AB AA

K K

K K

K K

20

0

00

00

Trong đó: KAA-KAB là điện dung thứ tự thuận và nghịch tương ứng với α,β trong hệModal và KAA+2.KAB là điện đung thứ tự không tương ứng với o trong hệ Modal

Thế các giá trị KAA, KAB vào (4.4) ta được:

0

008,170

00

08,17

Y(0) = p.(KAA + 2.KAB) = p.C0 = 53,75.10-12.p

4.1.3 Modal hệ lan truyền sóng:

2 9 12

7 *17,08.10 4,57.10 10

.3,12)

()()

(α = p Z α Y α = p − p − p = − p

2 9 11

7 *5,375.10 11,9.10 10

.4,26)

0()0()

v

AB AA AB AA

/10.2,2)10.08,17)(

10.3,12(

1)

)(

(

1)

[m s]

K K

L L

v

AB AA

AB AA

/10.7)10.375,5)(

10.4,26(

1)

2)(

2(

1)

10.3,12)

(

)()

(

AB AA

AB AA

K K

L L K

L Zw

α

αα

[ ]Ω

=

=+

.375,5

10.4,262

2)

0(

)0()

0

(

AB AA

AB AA

K K

L L

K

L Zw

CHƯƠNG II SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY

2 TÍNH SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY

2.1 Xác định phạm vi bảo vệ đường dây theo phương pháp mô

hình điện hình học (MHĐHH) tại vị trí cột điện.

2.1.1 Nội dung lý thuyết mô hình điện hình học (MHĐHH):

Lý thuyết MHĐHH xuất hiện từ các năm 60 do công trình nghiên cứu của R.N.Golde.Golde giả thuyết rằng khi tiên đạo sét bắt đầu định hướng tới công trình nào đó trên mặt đấtthì sẽ xảy ra một quá trình phóng điện trực tiếp trên khoảng cách phóng điện rs từ đầu tiên

+ + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _

_ _ _ _

rs

h

H+

++

+++ _ _

Hình 2.1

đạo (leader) tới đỉnh công trình Quá trình này giống với quá trình phóng điện ở khoảng cáchdài trong phòng thí nghiệm.

Từ đó ta xây dựng được quan hệ :

grad U = f (rs , Q) = 3÷5 kV/cm (2.1)Trong đó:

grad U: Điện trường phóng điện trung bình ở khoảng cách dài, có trị số 3÷5 kV/cm

rs : Khoảng cách phóng điện

Q : Điện tích của lớp mây tích điện

Theo kết quả thống kê quan hệ giữa dòng điện sét I với điện tích Q được thể hiệndưới dạng :

(Q [C] ; I [kA])Kết hợp giữa hai biểu thức (2.1) và (2.2):

f (rs , I) = 3÷5 (2.3)

rs = KrsInNhư vậy ta đạt được một quan hệ giải tích giữa khoảng cách phóng điện (rs) với biên

độ dòng sét (I) Các hệ số Krs, n có trị số như sau :

Chọn theo quan hệ của Golde : Krs = 6,72 ; n = 0.8 Từ đó ta có :

rs = 6,72.I0,8

I [kA]; rs [m]

Sét đánh trên đường dây có treo dây chống sét:

Cho dòng điện sét lấy giá trị Ii sẽ xác định được khoảng cách phóng điện rsi và vẽđược đường ABCD như hình sau:

Nếu tiên đạo sét đánh xuất hiện trên cung AB thì sét sẽ đánh trên dây chống sét.Khi tiên đạo sét xuất hiện trên đoạn CD thì sét sẽ phóng điện xuống đất.

Khi tiên đạo sét xuất hiện trên cung BC thì sét sẽ đánh vào dây dẫn

Ở trị số dòng điện lớn hơn (I > Ii) vòng cung B’C’ bị rút ngắn cho tới điểm M thìvòng cung này bị triệt tiêu Như vậy hiện tượng sét đánh dây dẫn chỉ xảy ra khi dòng điệnsét bé hơn trị số ngưỡng I01 xác định từ khoảng cách phóng điện rso = MH.

Dễ dàng chứng minh được:

α

sin1

r so cs

Từ đó suy ra

25 , 1

01

)sin1(72,6

Ta có:

8 , 0.72,

r si = (lấy I = 7 [kA] )

][87,317

.72,

r si = =

Tính cho dây dẫn ở trên cùng (pha A), xem hình vẽ 2.3

r so cs 42,2

1,24sin1

2

8,38,26sin

2

8,38,26

25 , 1

Ở các trị số có dòng điện sét Is ≥ 9,9 [kA] thì sét chỉ đánh vào dây chống sét hoặcđánh xuống đất mà không đánh vào dây dẫn.

Vậy phạm vi bảo vệ tại vị trí cột đang xét là :

2.2 Tính góc bảo vệ thực tế và góc bảo vệ “hoàn hảo” của đường

dây tại vị trí cột điện.

2.2.1 Tính góc bảo vệ thực tế của đường dây tại vị trí cột:

Tính cho pha A, có góc α thực tế là 24,10

2.2.2 Tính góc bảo vệ “hoàn hảo” của đường dây tại vị trí cột:

Có thể chọn góc bảo vệ α của dây chống sét sao cho các trường hợp sét đánh vào dây

dẫn cũng không gây phóng điện trên cách điện đường dây

Khi sét đánh vào dây dẫn thì quá điện áp tác dụng trên cách điện đường dây có trị sốbằng:

2

dd

qa

Z I

U =

Với : I : biên độ dòng điện sét [kA]

Hình 2.4 Phạm vy bảo vệ tại vị trí cột

% 50.272,6

21

h h

α

Biểu thức trên cho quan hệ giữa α và hcs được minh họa theo hình vẽ 2.3 Đáng chú

ý là khi cột rất cao, góc α có thể lấy giá trị âm, lúc này dây chống sét được treo ở phía bên

ngoài khoảng không gian của các dây dẫn

Ta có : Zdd là tổng trở sóng của đường dây (pha A),

23.2ln60

2ln

A

A AA

r

h Z

Khi xét đến sự ảnh hưởng của vầng quang thì :

Hình vẽ 2.3

Với λ được tra theo bảng sau :

Khi xét đến ảnh hưởng của vầng quang

110 (kV) 220 (kV) 500 (kV)Đường dây treo 1 dây chống sét 1,3 1,4 1,4

Đường dây treo 2 dây chống sét 1,2 1,3 1,3

3,1

74,

2

2.6506,72

2.3 Tính suất cắt của đường dây theo phương pháp MHĐHH (đã

chọn theo góc bảo vệ “hoàn hảo” ) hoặc phương pháp cổ điển.

Suất cắt của đường dây do sét đánh tức là số lần cắt điện đường dây do sét đánh gây

ra sự cố trong 1 năm cho chiều dài đường dây L = 100km

Tính toán với sơ đồ cột hiện có, góc bảo vệ α = 24,10

2.3.1. Số lần sét đánh vào đường dây trong 1 năm:

Số lần sét đánh vào đường dây L=100(km) trong 1 năm:

N = (0,1 ÷ 0,15).6 cs

tb

h 10-3.100.nngsét (lần/Lkm.năm)Trong đó : h cs h cs f cs m

3

28,263

2.3.2. Suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống

,2490

1,24.8,26490

dd

Z

U I p

V 26 , 1

4

% 50

% 50

U50% = 650 [kV]: mức cách điện xung kích của chuỗi cách điện;

Zdd: là tổng trở sóng của đường dây, được xác định như sau:

f h

r

h Z

dd dd

dd

dd tb

10.4,9

2,53

223ln6010

.4,93

2ln

60ln

60

1

3 3

λ

(λ là hệ số hiệu chỉnh, chọn =1)

Thay vào công thức trên suy ra 4. 26 , 1 458 , 34 0,8

650 4

1 , 26

4

% 50

% 50

nđv = (21,56 ÷ 32,34).10-3.0,8.0,7 = (12,07 ÷ 18,11).10-3 [lần/năm]

2.3.3. Suất cắt đường dây do sét đánh vào khoảng vượt:

2.3.3.1 Tính số lần sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét:

Nkv ≈ Nđc ≈ ( ) (4,4 6,6)

2

2,138,8

Vpđ : Là xác suất phóng điện được tính từ công thức sau:

lgVpđ = −25a & a≥(1 kd l2250.s) ⇒

− lgVpđ = −25 1 kd l2250.s( )

−

Trong đó:

l: Là chiều dài khoảng vượt, l = 250 [m]

s: Là khoảng cách giữa dây dẫn và dây chống sét, s = 5,4 [m]

kd: Là hệ số ngẫu hợp từ giữa dây dẫn và dây chống sét ở giữa khoảng vượt có xét đến ảnh hưởng của vầng quang, lấy kd = 0,3

Thay vào (22), ta được:

lgVpđ = 2,77 0,00167

250)

3,01(25

4,5.2250

η: Là xác suất duy trì hồ quang (đối với cấp điện áp 110 [kV] lấy η = 0,7

Thay vào ta có kết quả:

Vpđ: Là xác suất phóng điện được tính từ công thức sau:

U50% = 650 [kV]: mức cách điện xung kích

Điện trở nối đất cột điện đường dây Rc = 11,5 [Ω];

δ: là hệ số khi đường dây treo 1 dây chống sét, lấy δ = 0,1;

hc: là độ cao của cột, hc = 26,8 [m]

Thay vào ta được:

lgVpđ = 0,76 0,1768

)8,26.1,05,11(60

CHƯƠNG III KẾT LUẬN

Từ kết quả tính toán ở Chương I và II, có kết luận như sau

Đối với đường dây đang xét có độ dài ngắn, đường dây đi qua khu vực có mật độ sétnhư nhau và khoảng cột được xem là bằng nhau và có cùng độ cao cột nên có thể xem kếtquả tính toán cho một khoảng cột, một vị trí cột cũng được công nhận cho kết quả của cáckhoảng cột hay vị trí cột khác trong đường dây

- Khi sét đánh vào dây chống sét, các pha dây dẫn ảnh hưởng của điện áp cảm ứng,điện áp này càng lớn khi dây dẫn pha bố trí càng gần dây chống sét và ngược lại

- Khi khoảng cách pha – pha càng lớn thì điện cảm L của pha dây dẫn càng tăng vàđiện dung C của pha dây dẫn càng giảm Nên tổng trở sóng trên đường dây tăng lên

- Để giảm suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn bằng cách giảmgóc bảo vệ

- Để giảm suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột bằng cách giảm điện trở nối đất

- Xác suất phóng điện của đường dây phụ thuộc vào mức cách điện xung kích củađường dây, đường dây có cấp điện áp thấp thì mức cách điện xung kích bé Nên cácđường dây trung áp không đặt dây chống sét, vì muốn giảm suất phống điện cáchđiện đường dây thì điện trở nối đất phải nhỏ, như vậy không kinh tế khi đường dây

đi qua vùng có điện trở suất tương đối lớn