Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP
Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 1 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 6.1. Mở đầu 6.1.1. Phơng pháp bảo vệ chống sét Bảo vệ thụ động Lắp đặt các thiết bị bảo vệ chống sét nhằm : 9 thu hút phóng điện sét vào nơi định trớc và phân tán năng lợng vào đất (cột thu sét kiểu Franklin, lới thu sét hoặc lồng cách biệt. 9 hạn chế các nhiễu điện từ do sét gây ra bằng các biện pháp kiềm chế tăng thế và hạn chế nó bằng khe hở phóng điện (cách thức truyền nhiễu điện từ : đờng dây điện, điện thoại, cáp, ống dẫn kim loại ). Bảo vệ một cách chủ động Dạng bảo vệ này dựa trên những dự báo nguy cơ rủi ro, các suy đoán, các dự báo hiện tợng dông sét (nhờ cơ quan khí tợng thuỷ văn hoặc nhờ các hệ thống dò tìm định vị). 6.1.2. Nguyên tắc bảo vệ chống sét 9 Nguyên tắc bảo vệ là cần tản dòng điện vào đất tối đa, đảm bảo tổng trở nối đất bé nhất, tạo ra một lới nối đất và liên kết chúng (các trạm biến áp HTB điện trở nối đất yêu cầu bé hơn 1 và với các cột điện điện trở nối đất yêu cấu từ 10 đến 15). 9 Để bảo vệ dòng điện sét và sự tăng thế, có nhiều mức bảo vệ khác nhau : 6.1.2.1. Mức thứ nhất (Tản dòng điện vào đất tại điểm sét đánh) Mức bảo vệ này chủ yếu áp dụng đối với các công trình dễ bị sét đánh, tránh sét đánh trực tiếp vào các công trình điện bằng cách hớng sét vào những điểm định trớc. Định hớng sét một cách chủ động có điều khiển vào những điểm chính xác trên mặt đất đợc thực hiện bằng các phơng tiện sau : 9 cột chống sét dựa trên nguyên tắc khoảng cách phóng điện : các kim thu sét đặt trên độ cao của công trình cần bảo vệ và đợc nối đất theo các đờng ngắn nhất. Có thể thấy rằng bảo vệ đợc xem la tốt nếu vật cần bảo vệ nằm trong một hình côn góc nghiêng 45o. 9 lới hoặc lồng Faraday. Đó là một mạng kín các thanh dẫn ngang và thanh dẫn dọc đợc nối đất vào hệ thống nối đất. Kích thớc lới cần nhỏ hơn 15 m, các tanh dẫn đứng đợc đặt tại vị trí các nút lới ở phần phía trên. Phần phủ phía trên tơng đơng với vô số cột thu sét. 9 kiến tạo màn chắn. Dây chống sét thuộc loại này. Chúng hình thành bảo vệ an toàn chông sét đánh cho các đờng dây tải điện. Nhiệm vụ của nó là thu hút các phóng điện sét, mà theo mô hình điện hình học có dòng điện lớn hơn dòng điện tới hạn. Bảo vệ chống sét cho đờng dây xác định bởi góc bảo vệ tối u opt. Khi opt, "sự cố màn chắn" có thể xảy ra. Các cú sét có dòng điện lớn hơn giá trị tới hạn có thể gây phóng điện vào dây dẫn. 6.1.2.2 Mức thứ hai (Hạn chế điện áp d bằng biện pháp san phẳng) Có nhiệm bảo vệ thiết bị của trạm biến áp hoặc các công trình điện chống quá điện áp. Một số thiết bị bảo vệ đợc dùng để phân tán năng lợng (đảm bảo mức cách điện xung kích - BIL Basic Impulse Level) của các thiết bị khác nhau trong trạm biến áp (phối hợp cách điện). Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 2 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Nguyên lý của bảo vệ này là tạo ra một mạch điện cho phép tản dòng điện sét bằng cách gây ra phóng điện hoặ dẫn dòng điện xuống đất. Hai loại thiết bị đợc sử dụng để hạn chế điện áp là khe hở phóng điện và chống sét van. Khe hở phóng điện nguyên lý hoạt động gây trên phóng điện có các nhợc điểm sau : 9 điện áp phóng điện rất phân tán (đến 40 %). 9 thời gian phóng điện chậm trễ theo điện áp tới. 9 phóng điện nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài, điều kiện khí hậu xung quang. 9 khi nó tạo ra sóng cắt có độ dốc đầu sóng lớn có thể gây nguy hiểm cho các cuộn dây máy điện. 9 dòng điện kế tục tần số 50Hz. Chống sét van là thiết bị bán dẫn điện với các điện trở phi tuyến (M đến ), đợc láp đặt giữa pha và đất phổ biến là loại điện trở phi tuyến trên cơ sở oxit kẽm (ZnO), loại điện trở phi tuyến có các đặc tính đã đợc nghiên cứu rất kỹ. ất. 9 Hoạt động của chống sét van tơng tự nh của khe hở phóng điện nhng điện áp phóng điện đợc kiểm soát tốt hơn. đặc tính điện áp d U = f(I) ít phân tán hơn. trễ dẫn điện gần nh bằng không. trở về trạng thái sẵn sàng ban đầu một cách tự nhiên không kèm theo dòng điện kế tục. 9 Việc sử dụng chống sét van hay khe hở phóng điện chỉ có hiệu quả tốt với một số điều kiện nhất định, đặc biệt là khoảng cách từ nó đến thiết bị cần bảo vệ và đến đất. Từ đó ngời ta đề xuất khái niệm khoảng cách bảo vệ. 6.1.2.3. Mức thứ ba Trong mạng hạ áp với các thiết bị rất nhạy cảm nh mạng máy tính, thiết bị tự động điều khiển, viễn thông, mạng hạ áp ngoài các thiết bị nêu trên cần bổ sung các thiết bị khác nh bộ filtre lọc hoặc thiết bị hạn chế quá điện áp. Ví dụ nó có thể thực hiện với các phơng tiện sau 9 Nghiên cứu tơng hợp điện từ, 9 Thiết kế hệ thống nối đất, 9 Phối hợp thiết bị hạn chế quá áp với thiết bị bảo vệ quá tải và ngắn mạch, 9 Bảo vệ song song hạn chế điện áp xung bằng các thiết bị nh khe hở phóng điện chứa khí, varistor (SiC, ZnO), diode điện tử, filtres RC, 9 Bảo vệ nối tiếp hạn chế công suất truyền tải với thiết bị hấp thụ sóng hoặc thiết bị lịc cao tần, biến áp cách ly, bộ nghịch lu UPS. 6.2. Phơng tiện bảo vệ chống quá điện áp Để hạn chế quá điện áp (biên độ và thời gian) ngời ta tác động các biện pháp sau : 9 Hạn chế quá điện áp (ví dụ xây dựng đờng dây trú đợc sét ví dụ trong các thung lũng). Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 3 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn 9 Chuyển hớng hậu quả quá điện áp (sử dụng dây chống sét để tránh sét đánh trực tiếp vào dây dẫn). 9 Loại bỏ quá điện áp (bảo vệ trạm biến áp bằng hệ thống cột chống sét Ngời ta cũng có thể can thiệp vào quá trình truyền sóng bằng : Suy yếu tự nhiên do tổn hao và hiệu ứng vầng quang Suy yếu do khe hở phóng điện hoặc chống sét van tác động. Để bảo vệ một thiết bị cần : 9 thiết bị bảo vệ luôn luôn đợc láp đặt song song với thiết bị cần bảo vệ. 9 Khi quá điện áp khí quyển xuất hiện, thiết bị bảo vệ phải phải tác động trớc tiên 9 phải hạn chế điện áp tác dụng lên thiết bị cần bảo vệ 9 khi quá điện áp kết thúc, phải có khả năng cắt đợc hồ quang do dòng điện kế tiục sinh ra, phục hồi trạng thái làm việc ban đầu. Để thực hiện đợc các yêu cầu trên, các thiết bị bảo vệ cần thoả mãn các điều kiện sau : i. đờng đặc tính điện áp - thời gian chậm trễ phóng điện (gọi là đờng đặc tính volt-giây V-S) phải nằm thấp hơn đặc tính V-S của thiết bị cần bảo vệ. Khi thiết kế và chế tạo các thiết bị điện, ngời ta luôn luôn có các biện pháp cải thiện điện trờng, do đó đờng đặc tính điện này. Đờng đặc tính V-S của thiết bị bảo vệ cần phải phẳng để không xảy ra giao chéo với đờng đặc tính của thiết bị mà nó bảo vệ. Các khe hở phóng điện dạng mũi nhọn - mũi nhọn, điện trờng rất không đồng nhất và do đó đờng đặc tính V-S rất dốc. Do đó khó thậm chí không thể phối hợp đợc với đặc tính V-S của thiết bị điện trong trạm. Do vậy các khe hở phóng điện chủ yếu đợc dùng để bảo vệ cách điện đờng dây. ii. phải có khả năng cắt nhanh hồ quang do dòng điện kế tục gây nên. Khi thiết bị bảo vệ tác động, nó tạo ra ngắn mạch xuống đất để tản dòng điện sét : hồ quang cần phải đợc dập tắt trớc khi máy cắt nhảy. Khi xuất hiện dòng điện sự cố lớn, các khe hở phóng điện nếu không đợc trang bị thiết bị dập hồ quang sẽ không có khả năng cắt hồ quang này. Sự cố tiếp tục kéo dài. Vì vậy chúng chỉ đợc sử dụng để bảo vệ đờng dây tải điện có dòng chạm đất bé (trung tính cách điện hoặc trung tính nối đất qua cuộn Petersen) hoặc đối với các đờng dây có trang bị thiết bị tự động đóng lại.Với trờng hợp sử dụng các chông sét van kiểu cũ, các điện trở phi tuyên đợc đặt nối tiếp với các khe hở phóng điện sẽ hạn chế dòng điện kế tục và hồ uang đợc dập tắt từ lần dòng điện qua không đầu tiên. Còn đối với các chống sét van không khe hở dùng điện trở phi tuyến ZnO, không có khe hở phóng điện, các điện trở phi tuyến đợc nối trực tiếp vào lới điện, do đó không đặt ra vấn đề dập tắt hồ quang do dòng điện kế tục gây ra; iii. cần có điện áp d bé hơn mức cách điện của thiết bị cần bảo vệ. Điện áp d của chống sét van là điện áp xuất hiện trên chống sét van khi có dòng điện đi qua. Với các khe hở phóng điện, điện áp d đợc xem là điện áp giáng trên hệ thống nối đất. Muốn có điện áp d bé khi sử dụng chống sét van cần có hệ thống nối đất có điện trở nối đất bé. Đối với chống sét van cần giảm trị số điện trở phi tuyến đồng thời hạn chế dòng điện qua chống sét van; iv. không đợc tác động khi có quá điện áp nội bộ. Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 4 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn 6.3. Khe hở phóng điện 9 Thiết bị bảo vệ chống sét đầu tiên và cổ điển nhất gồm hai điện cực mũi nhọn trong đó một đợc nối với dây dẫn và điện cực kia đợc nối đất. 9 Khe hở phóng điện đợc dùng chủ yếu ở các mạng điện áp thấp và trung áp, đợc láp đặt trong các mạng rất thờng xuyên xuất hiện quá điện áp và ở đoạn gần trạm biến áp trung áp. Vai trò của nó là tạo ra một điểm yếu về cách điện nhng trong mạng điện đợc kiểm soát để phóng điện có thể xảy ra trớc hết tại đây. 9 Điện áp phóng điện và thới gian trễ phóng điện của khe hở phóng điện phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai điện cực, cực tính và độ dốc, bị ảnh hởng của hình dạng và cách bố trí các điện cực cũng nh khoảng cách giữâ các điện cực vớí các vật thể xung quanh nối với điện áp hoặc với đất. Các khe hở phóng điện thờng có đờng đặc tính V-S tăng khá nhanh với thời gian tác dụng của điện áp rất ngắn, nên không phải lúc nào cũng cho phép phối hợp đặc tính bảo vệ của nó với đặc tính cách điện của thiết bị cần bảo vệ trong toàn bộ khoảng thời gian tiền phóng điện. 9 Để cải tiến hoạt động của các khe hở khi có quá điện áp với độ dốc rất lớn và tạo ra đờng đặc tinhs V-S bằng phẳng, ngời ta sửa đổi hình dáng điện cực mũi nhon - mũi nhọn. Mô hình hiện nay thờng đợc sử dụng là loại chống sét sừng cho phép kéo dài hồ quang điện tạo điều kiện để dập tắt hồ quang. 9 Để giảm số lần tác động và số lần cắt điện, thì cần phải chọn khoảng cách khe hở không khí lớn nhất theo đièu kiện bảo vệ cách điện. Tham số Điện áp định mức 6 10 20 35 110 220 500Khoảng cách bảo vệ, mm 40 60 140 250 650 1350 1500Khoảng cách phụ, mm 10 15 20 30 - - - Điện áp phóng điện tần số 50 Hz, kV 34 45 70 105 252 495 750Điện áp phóng điện xung kích, kV Cực tính dơng Cực tính âm 51 53 66 68 121134 195220 466 510 735 817 10651190 9 Đối với cấp điện áp dới 35 kV, khoảng cách khe hở phóng điện bé, để tránh chạm chập ngẫu nhiên (ví dụ chim, chuột) ngời ta một khoảng cách phụ nữa hoặc láp thêm một kim trung gian. Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 1 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn 9 Đờng cong đặc tính điện áp - thời gian phóng điện xung kích của khe hở phóng điện thờng có dạng uốn cong rất nhiều so với đặc tính của thiết bị cần bảo vệ nh máy biến áp và cáp. Do hình dạng rất uốn cong của đờng đặc tính V-S, khoảng cách bảo vệ đối với tất cả các quá điện áp thờng rất bé, một vài milimét. 9 Khe hở phóng điện không thể chấp nhận đợc theo quan điểm cung cấp điện liên tục vì sự có mặt của chúng làm tăng số lần sự cố. Khi xảy ra phóng điện khe hở, quá trình ion hoá vẫn tiếp tục, hồ quang đợc duy trì bởi điện áp làm việc và tạo ra dòng điện kế tục tần số công nghiệp, dòng điện xung kích có thể chuyển thành hồ quang ổn định dẫn đến cắt điện thiết bị điện hoặc một phần lới điện. Để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện chỉ nên sử dụng khe hở phóng điện cho các đoạn đờng dây đợc trang bị thiết bị tự động đóng lại. Ngoài ra còn cần chú ý việc bố trí các khe hở phóng điện ở mỗi pha đợc chọn sao cho có thể hạn chế các nguy cơ lan rộng hồ quang sang các pha bên cạnh, biến sự cố một pha thành sự cố ba pha. Khoảng cách phóng điện cũng có thể thay đổi theo mức bảo vệ. 9 Ngời ta chế tạo khe hở phóng điện dới dạng chiêc sừng, do dạng khe hở này dới tác động của lực điện động và dòng chuyển động nhiệt của không khí, hồ quang sinh ra bị kéo dài ra và có thể bị dập tắt. Hồ quang tự dập tắt đối với loại chống sét này nếu nh dòng điện hồ quang không vợt quá 300A. Thiết bị bảo vệ khe hở phóng điện này rất đơn giản, khá hiệu quả và rất kinh tế nhng cũng có nhiều nhợc điểm : i. điện áp phóng điện rất tản mạn. ii. thời gian phóng điện chậm trễ theo điện áp tới. iii. phóng điện nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài, điều kiện khí hậu xung quang. iv. khi nó tạo ra sóng cắt có độ dốc đầu sóng lớn có thể gây nguy hiểm cho các cuộn dây máy điện. v. dòng điện kế tục tần số 50Hz. 9 Do rất đơn giản và giá thành thấp nên các khe hở phóng điện đợc dùng khá phổ biến cho lới điện cấp điện áp thấp. Đối với các đờng dây cao áp và siêu cao áp, một số biện pháp đặc biệt đợc áp dụng nhằm hạn chế quá điện áp nội bộ, khe hở cũng có thể sử dụng để phối hợp bảo vệ cùng với chống sét van, có tác dụng hạn chế biên độ sóng điện áp truyền vào trạm và giảm dòng điện qua chống sét van. 9 Ngày nay cho dù các khe hở phóng điện vẫn còn đợc láp đặt trên lới điện nhng càng ngày chúng càng ít đợc sử dụng. 6.4. Chống sét ống 9 chống sét ống là một ống làm bằng vật liệu sinh khí 1, một đầu có náp kim loại giữ điện cực thanh 2, đầu kia hở và điện cực hình xuyến 3. Khoảng cách khe hở l1 giữa điện cực thanh và điện cực hình xuyến gọi là khe hở trong (khe hở dập hồ quang). Thân ống cách ly với đờng dây bằng khe hở l2 để nó không bị h hỏng do dòng điện rò (vật liệu sinh khí sẽ phát nóng, sản sinh khí dới tác dụng của dòng điện rò). Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 1 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn 9 Tác dụng bảo vệ của chống sét ống đặc trng bởi đờng đặc tính vôn - giây của nó và điện trở nối đất. Đặc tính vôn giây phụ thuộc vào khe hở trong và ngoài của chống sét ống và xác định điện áp khởi động, còn điện trở nối đất xác định điện áp giáng trên bộ phận nối đất. Do đó ở các nơi đặt chống sét ống cần phải nối đất thật tốt. đặc tính vôn giây của chống sét có dạng nh của khe hở bảo vệ trờng rất không đồng nhất. Khe hở ngoài đợc chọ theo điều kiện phối hợp cáh điện và có thể điều chỉnh trong một phạm vi nhất định. Khe hở bên trong đợc chỉnh định theo khả năng dập hồ quang và không điều chỉnh đợc. 9 Khi có quá điện áp cả hai khe hở sẽ phóng điện (phóng điện mặt ngoài của thân ống không thể xảy ra vì điện áp phóng điện theo bề mặt lớn hơn nhiều khoảng cách khe hở trong), dòng điện sét đi vào bộ phân nối đất. Sau khi hết dòng điện xung kích,có dòng điện chạm đất tần số công nghiêp (gọi là dòng điện kế tục) đi qua. Dới tác dụng của hồ quang dòng điện ngắn mạch, chất sinh khí sẽ bị phát nóng và sản sinh rất nhiều khí, áp suất khí ở trong ống tăng và có thể lớn đến hàng chục ata. Chất khí thoát ra phía đầu hở tạo thành luồng khí thổi hồ quang về phía đầu hở của ống làm cho hồ quang bị dập tắt khi dòng điện qua trị số không lần đầu tiên. Khi chống sét ống làm việc sẽ kèm theo tiếng xả khí và âm thanh giống nh phát đạn bắn đi. 9 Để có thể dập đợc hồ quang, trong ống cần có đủ khí, điều này phụ thuộc vào trị số của dòng điện đi qua. Vì thế phải có quy định về giới hạn dới của dòng điện, nếu dòng điện bé hơn trị số náỹe không đủ khả năng dập tắt hồ quang. Ngợc lại dòng điện cũng không đợc quá lớn vì có thể tạo nên áp suất quá cao gây phá huỷ ống. Giới hạn trên và giới hạn dới của dòng điện cắt phụ thuộc vào khe hở phóng điện trong. Giảm khoảng cách khe hở phóng điện trong và tăng đờng kính làm cho cả hai giới hạn trên và dới bị dịch về phía dòng điện lớn. 9 Các loại chống sét ống của Liên xô là PT dùng chất sinh khí là phibro bakelit, còn loại PTB và PTBY dùng chất sinh khí là viniplast (thuỷ tinh hữu cơ hay PMMA). Để tăng độ bền cơ giới cần thiết, phần ngoài của ống đợc bọc thêm giấy bakelit có quýet sơn chống ẩm. Viniplast không hút ẩm và giữ đợc tính chất cách điện khi làm việc ngoài trời và do có độ bền cơ khí cao hơn với các tải đột ngột, loại chống sét ống PTB có giới hạn trên cắt dòng điện lớn hơn. Đặc tính của một số loại chống sét ống Chủng loại Khoảng cách khe hở ngoài, mm Điện áp phóng điện xung kích 1,2/50s, kV Điện áp phóng điện tần số 50 Hz, kV 50% 2s khô ớtPT 3/0,2-1,5 PT 3/1,5-7 5-10 45/40 40/45 10 7 PTB 6-10/0,5-4 PT 6-10/2-12 10 15 60/60 65/65 65/65 68/68 33 42 32 40 PT 35/0,4-3 80 100 150 200 160/170180/190225/255270/320200/200 205/220 250/265 300/310 95 105 130 15595 83 110135PT 35/2-10 80 100 150 200 135/140165/165210/225260/285145/145 180/180 220/225 275/288 100 115 150 180100110145 205/220 250/265 300/310 95 105 130 15595 83 110135PT 35/2-10 80 100 150 200 135/140165/165210/225260/285145/145 180/180 220/225 275/288 100 115 150 180100110145170PT 110/0,4-2,2350 400 450 500 410/455 432/495 455/530 475/570 495/560525/600550/640580/680213 230 240 255200225250270PTB 110/2-10 350 400 450 500 380/400 405/440 435/460 460/490 415/435450/480485/510520/575165 217 310 395100145170212PTBY 110/7-30 400 450 500 405/400 -/460 -/490 450/480-/505 -/538 217 265 282212234255PT 220/2-10 500 600 700 800 -/1050 -/1100 -/1150 -/1200 -/1100 -/1150 -/1200 -/1250600 700 750 864550600700838Chú thích : Trên tử số điện áp phóng điện xung kích cực tính dơng, mẫu ssố điện áp phóng điện cực tính âm. Trong nhãn hiệu của chống sét ống biểu thị loại chống sét ống, cấp điện áp v giới hạn dòng điện cắt bằng kA. 9 Khi đặt chống sét ống tại bầt kỳ một điểm nào trong lới điện, cần phải kiểm tra dòng điện ngắn mạch chạm đất tại điểm đó để đảm bảo chống sét ông có thể tự dập tắt hồ quang mà không bị h hỏng. Khi hống sét ống tác Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 2 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn động nhiều lần, chất sinh khí sẽ bị hao mòn, thân ống sẽ rỗng hơn, và khi đờng kính trong của thân ống tăng quá 20-30% so với trị số ban đầu thì chống sét xem nh mất tác dụng. 9 Khi làm việc chống sét ống thổi ra một luồng khí bị ion hoá, do đó khi láp đặt chống sét ống trên cột phải lu ý sao cho khí thoát ra không gây nên phóng điện giữa các pha. Muốn vậy thì trong phạm vi thoát khí của chống sét ống không đợc có dây dẫn của pha khác hoặc phạm vi thoát khí của ống khác. 9 Do đặc tính vôn giây rất dốc và vùng thoát khí lớn nên các chống sét ông không đợc sử dụng để bảo vệ chống sét thiết bị trạm biến áp. Nhiệm vụ chủ yếu của nó là để bảo vệ đoạn đờng dây tới trạm, thiết bị điện của các trạm công suất nhỏ điện áp 3-10 kV và các đoạn đờng dây giao nhau. 6.5. Chống sét van Chống sét van là thiết bị sử dụng để bảo vệ cách điện của các thiết bị điện quá điện áp, hạn chế biên độ và thời gian tồn tại dòng điện kế tục gây nên bởi phóng điện. Phần chính của chống sét van là các điện trở phi tuyến. 6.5.1. Van chống sét 9 Hiệu ứng van là tính chất của tất cả các vật liệu mà điện trở thay đổi một cách không tuyến tính với điện áp đặt. 9 Tính chất van cho phép thông qua nó một dòng điện rất lớn ở điện áp cao nhng lại chỉ có một dòng điện rất bé ở điện áp thấp gọi là hiệu ứng van. IUVùng IVùng IIVùng IIIIU=0=0=1 9 Trong một khoảng dòng điện xác định quan hệ điện áp - dòng điện có thể biểu diễn bởi công thức : U=A.I, với A là một hằng số phụ thuộc vào kích thớc hình học, công nghệ chế tạo, còn là hệ số phi tuyến. 9 Hiệu ứng van càng thể hiện rõ khi hệ số phi tuyến càng bé. Trờng hợp lý tởng với =0, còn một vật liệu tuyến tính có quan hệ I=f(U) thoả mãn định luật với =1. 9 Trờng hợp vật liệu phi tuyến thực tế nằm giữa các trờng hợp trên. a) Điện trở phi tuyến trên cơ sở SiC 9 Điện trở phi tuyến trên cơ sở cacbua silic (SiC) sản xuất từ bột SiC. Bề mặt bên ngoài của các hạt SiC đợc bao phủ bởi một lớp SiO2 (chiều dày khoảng 10m). Điện trở suất của bản thân SiC rất bé. Nhng điện trở của SiO2 lại thay đổi và là hàm phi tuyến của điện áp tác dụng. Khi điện trờng bên ngoài rất thấp (điện áp tác dụng bé), điện trở suất của lớp này khoảng 104-106m và hầu nh toàn bộ điện áp đặt lên lớp này vì điện trở suất của SiC chỉ vào khoảng 10-2m. Khi điện trờng bên ngoài tăng cao, điện trở cuae lớp màng SiO2 giảm rất nhanh, điện trở của van chống sét bắt đầu xác định bởi điện trở của SiC. Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 2 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn 9 Đặc tính điện áp - dòng điện (còn gọi là đặc tính volt-ampe - đặc tính V-A) của một phiến điện trở phi tuyến SiC đờng kính 100mm cao 60mm. 9 Hệ số phi tuyến của SiC nằm trong khoảng từ 0,13 đến 0,20 với dòng điện sét nằm trong vùng II và từ 0,28 khoảng 0,32 khi có dòng điện kế tục (vùng I). 9 Tuy nhiên nếu dòng điện lớn qua điện trở phi tuyến kéo dài có thể dẫn đến phá hỏng lớp SiC. Do vậy cần thiết phải hạn chế giá trị dòng điện lớn nhất qua chống sét van và thời gian tồn tại của dòng điện này. logI1logU234654,44,23,04,03,83,23,63,4III b) Điện trở phi tuyến trên cơ sở ZnO 9 Điện trở phi tuyến trên cơ sở ZnO là một vật liệu gốm gồm tinh thếbán dẫn điện trên cơ sở vật liêụ ZnO có điện trở suất rất thấp đợc liên kết bằng các oxit kim loại (Bi2O3, MnO, Sb2O3, .). Liên kết giữa các vật liệu này là cốt lõi của tính chất van mà hiệu ứng chính là đặc tính phi tuyến của điện trở suất với điện áp tác dụng. 6.5.2. Một số định nghĩa cơ bản 9 Để bảo vệ cho thiết bị điện của trạm biến áp ngời ta sử dụng chống sét van loại có khe hở trên cơ sở SiC hoặc loại không có khe hở từ ZnO. Tơng ứng với các đặc tính bảo vệ của chống sét van có thể đa ra mức cách điện của máy biến áp và các thiết bị. Các đặc tính cơ bản của chống sét van là : Điện áp định mức của chống sét van (Maximum Rated Voltage) : trị số điện áp lớn nhất giá trị hiệu dụng tần số công nghiệp cho phép đặt lên chống sét van mà không gây ra phóng điện nguy hiểm (1,25 x MCOV). Điện áp làm việc lớn nhất (MCOV - Maximum Continuous Operating Voltage) : điện áp lớn nhất mà chống sét van có thể chịu đựng (phải lớn hơn điện áp lớn nhất của lới ít nhất là 5 %). Điện áp d (Residual Voltage) là điện áp xuất hiện trên các phần tử phi tuyến chống sét van trong thời gian dòng điện phóng điện đi qua (thờng có trị số từ 5 - 10 kA) và đợc gọi là dòng phối hợp. Điện áp d của chống sét van và gần với nó là điện áp phóng điện xung kích của khe hở phóng điện phải nhỏ hơn 20 - 25% trị số điện áp phóng điện xung kích của cách điện cần bảo vệ (khoảng phối hợp cách điện). Điện áp phóng điện xung kích (BIL Basic Impulse Level) : mức cách điện xung kích của thiết bị. Dòng điện phóng điện định mức : dòng điện qua chống sét van sau khi phóng điện và do sóng quá điện áp lan truyền trên đờng dây. Đối với loại dùng SiC Điện áp phóng điện tần số công nghiêp (Breakdown Voltage) : giá tri hiệu dụng thấp nhất điện áp đặt lên vào chống sét van sẽ gây phóng điện ). Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 2 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Dòng điện kế tục (Max. short-circuit current) : dòng điện duy trì bởi điện áp làm việc của lới điện (dòng điện tần số công nghiệp) sau khi dòng điện sét đi qua chống sét van. Điện trở của các phần tử phi tuyến ở điện áp làm việc tăng rất nhanh, dòng điện kế tục đợc hạn chế và khi dòng điện này đi qua trị số không hồ quang trong khe hở phóng điện đợc dập tắt. 6.5.3. Chống sét van có khe hở 9 Chống sét van loại có khe hở gồm các điện trở phi tuyến ghép nối tiếp với các khe hở phóng điện có khả năng hạn chế dòng điện khi có sóng xung kích. Khe hở phóng điệnVỏ sứđế kim loạiđiện trở phi tuyến 9 Các điện trở phi tuyến của loại chống sét van có khe hở đợc chế tạo dới dạng các tấm điện trở hình trụ từ bột cacbôrun và chất kết dính. Trớc kia loại điện trở không đờng thẳng dùng chất kết dính là bằng đất sét nên phải nung nóng ở nhiệt độ rất cao (đến 1200 oC). ở nhiết độ này lớp màng SiO2 thờng bị phá huỷ nên đặc tính không ổn định. Loại điện trở phi tuyến dùng chất kết dính bằng thuỷ tinh lỏng chỉ cần nung nóng đến 300 oC. Khe hở phóng điện. 9 Sự làm việc của chống sét van bắt đầu từ việc đánh thủng khe hở phóng điện và kết thúc bằng việc dập tắt hồ quuang của dòng điện kế tục đi qua nó. Khe hở phóng điện phải có đặc tính vôn giây tơng đối bằng phẳng để phối hợp với đặc tính vôn giây của cách điện của thiết bị cần bảo vệ (chủ yếu là máy biến áp). 9 Đối với mạng cao áp, để có đợc đặ tính V-S bằng phẳng khe hở phóng điện lại gồm nhiều phần tử ghép nối tiếp. Về phơng diện điện có thể xem nó nh một chuỗi điện dung nối tiếp. Điện áp phân bố không đều dọc theo chuỗi sẽ làm cho quá trình phóng điện kế tiếp sẽ xảy ra nhanh chóng trên tất cả các khe hở phóng điện. Đo đó trị số điện áp phóng điện có thể giảm tới mức ổn định (điện áp phóng điện xoay chiều hoặc điện áp một chiều) và đờng đặc tính vôn giây sẽ bằng phẳng. Điện cực cao ápĐiện trở phânbố ápĐiện dung đối với đấtĐiện dung song songPhần tử của chống sétKhe hở phóng điệnĐiện trở phi tuyến 9 Trong từng khe hở phóng điện, điện cực dùng các tấm đồng cách ly bởi một vòng đệm bằng mica dày 1mm 9 Điện trờng giữa các điện cực đạt đợc mức gần đồng nhất. Mặt khác khi có điện áp, điện trờng giữa điện cực và lớp màng mica tăng nên quá trình ion hoá sớm xuất hiện. Các yếu tố trên tạo điều kiện cho quá trình phóng điện phát triển dễ dàng và làm cho đờng đặc tính vôn giây có dạng phẳng ngang. Trong một số loại chống sét van, song song với một điện trở trị số lớn và Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 2 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn một tụ điện bé. Bộ phận này có nhiệm vụ san bằng phân bố điện áp trên tất cả các khe hở phóng điện. 9 Dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục bằng khe hở nhiều tầng đợc dựa trên tính không ổn định của quá trình cháy của hồ quang ngắn với các điện cực nguội. Sau khi dập tắt hồ quang quá trình khôi phục cách điện từ từ đợc phục hồi. 9 Sau khi dòng điện sét đi qua, chống sét van chỉ còn chịu tác dụng của điện áp làm việc của mạng. Điều này khiến hồ quang điện tiếp tục duy trì vì dòng điện tiếp tục qua điện trở phi tuyến (gọi là dòng điện kế tục) vẫn còn giá trị lớn. Để không phá huỷ khe hở phóng điện cũng nh điện trở phi tuyến hồ quang điện phải đợc dập tắt khi dòng điện qua trị số không lần đầu tiên. 9 Trị số điện áp xoay chiều tần số công nghiệp lớn nhất trên chống sét van mà hồ quang có thể đợc dập tắt, gọi là điện áp dập hồ quang. Dập hồ quang của dòng điện kế tục có thể thực hiện trong trờng hợp ngắn mạch chạm đất, nên điện áp dập hồ quang đợc chọn bằng điện áp xuất hiện trên các pha lành khi xảy ra chạm đất một pha : UKUdhq.= K là hệ số phụ thuốc vào phơng thức nối đất điểm trung tính. Với các mạng điện trung tính nối đất K=0,8, còn với các thiết bị trung tính cách điện K=1,1. 9 Tác dụng dập hồ quang của khe hở phóng điện của chống sét van có khe hở đợc đặc trng bởi hệ số dập hồ quang : dhqpddhqUUK = Upd - điện áp phóng điện của khe hở phóng điện ở điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. 9 Mỗi loại chống sét van đều có một trị số giới hạn về dòng điện kế tục mà hồ quang có thể dập tắt ngay từ lần qua trị số không lần đầu tiên. Trong vấn đề dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục, chủ yếu vẫn là tìm các biện pháp dập hồ quang có hiệu quả nhất để tăng giới hạn của dòng điện kế tục. Điều đó không chỉ liên quan đến sự làm việc của bản thân chống sét van mà còn có thể giảm mức cách điện của các thiết bị trong trạm. 9 Ví dụ trong loại chống sét van từ, dùng từ trờng để dập tắt hồ quang đã nâng cao giới hạn dòng điện kế tục từ 80-110A tới 250A do đó số tấm điện trở không đờng thẳng sẽ ít hơn, điện áp d của chống sét van hạ thấp và yêu cầu về mức cách điện xung kích của thiết bị đợc giảm nhẹ. Để tăng cờng năng lực thông thoát, đờng kính của tấm tăng đến 150mm. Với đờng kính này, trị số cho phép của dòng điện kế tục tăng gấp đôi so với loại xhống sét van thông thờng (đờng kính 100mm). [...]... 2 5-3 0 2 5-3 0 2 6- 3 0,5 23,5 25.5 48 23,5 28 43 26, 5 30 45 30,5 33 - 20 I II III PBM PBC 25 4 2-4 8 4 7-5 6 4 9 -6 0,5 66 74 80 50 62 75 54 67 80 60 74 88 35 I II III PBM PBC 40,5 7 3-8 4 7 5-9 0 7 8-9 8 108 1 16 125 80 97 122 87 105 130 98 1 16 143 110 I II III PBT PBM Γ PBC 100 15 0-1 70 17 0-1 95 20 0-2 50 230 260 285 195 245 315 295 370 465 330 410... Điện áp phóng điện xung kích Điện áp d với dòng điện xung 8 s và biên độ, kA 3 5 10 Trị số hiƯu dơng TrÞ sè lín nhÊt 3 I II IV PBT, PBPD PBM PB Π , PBO 3,8 7, 5-9 7, 5-9 9-1 1 7 8 20 7 9 13 8 9,5 14 9 11 - 6 I II IV PBT, PBPD PBM PB Π , PBO 7 ,6 1 5-1 8 1 5-1 8 1 6- 1 9 14 15,5 32 14 17 25 16 18 27 18 20 - 10 I II IV PBT, PBPD PBM PB Π , PBO 12,7 2 5-3 0 2 5-3 0... 465 330 410 510 220 I II III PBT PBM Γ PBC 200 30 0-3 40 34 0-3 90 40 0-5 00 445 515 530 390 475 63 0 430 515 67 0 480 570 734 500 I II PBT PBM Γ 420 63 0-7 25 66 0-7 60 940 1040 805 985 890 1070 1010 1180 Chèng sÐt van loại PB (bảo vệ trạm biến áp) và PBO (loại đơn giản, bảo vệ lới điện nông thôn) cấp điện áp từ 3 -6 kV. Loại chống sét van phổ biến hơn cả là loại PBC (bảo vệ... phổ biến cho lới điện cấp điện áp thấp. Đối với các đờng dây cao áp và siêu cao áp, một số biện pháp đặc biệt đợc áp dụng nhằm hạn chế quá điện áp nội bộ, khe hở cũng có thể sử dụng để phối hợp bảo vệ cùng với chống sét van, có tác dụng hạn chế biên độ sóng điện áp truyền vào trạm và giảm dòng điện qua chống sét van. 9 Ngày nay cho dù các khe hở phóng điện vẫn còn đợc láp đặt trên lới điện nhng càng... I 2ms A 160 0 5000 850 2100 850 1200 Khả năng hấp thụ năng lợng E imp kJ/ kV 7,8 11.5 4 11,5 4 5 ,6 Max. energy absorption capability E therm kJ/ kV 13 18 8 18 8 10 Max. short-circuit current (0,2 s) I s kA 65 100 65 65 50 Maximum permissible dynamic service load MPDSL kNm 12,5 12,5 4,5 21 6 6. 5.5. Phơng pháp bảo vệ chống sét bằng chống sét van Khi mà chống sét van không đợc láp đặt gần thiết... thiết bị phải chịu quá điện áp cao hơn mức bảo vệ của chống sét van. Sự tăng áp quá cao này là do : 9 sụt áp trên điện cảm của các dây dẫn nối chống sét van và với thiết bị cần bảo vệ. 9 sự tăng thời gian điện áp đặt vào thiết bị so với mức bảo vệ của chống sét van : nÕu thêi gian truyÒn sãng Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 3 Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn ... phát triển tới điểm hở mạch tăng điện áp gấp đôi. 9 Do điện áp chịu đựng của thiết bị thông thờng nhỏ hơn hai lần điện áp hạn chế của chống sét van, từ đó có đợc khoảng cáh tối thiếu từ chống sét van đê nó có thể bảo vệ đợc thiết bị. Ví dụ : sóng : 300 kV/ ms, gradient điện áp 1 kV/m, trạm biến áp trung áp có mức chịu điện áp 125 kV, chống sét van bảo vệ có điện áp d 75 kV. 9 Do phản xạ khi có sóng... điện áp u vào tổng trở xung kích đờng dây Z c : I = u/ Zc. Mạch nối đất là nguồn gây sụt áp chủ yếu do cảm kháng và điện áp này có thể đạt fía trị khá lớn. Lấy ví dụ nếu độ dốc của sóng dòng là 1 kA/ s, điện cảm của dây nối đất bằng 1 H/m, sẽ có U L = 1 kV/m. Thùc tÕ, ng−êi ta dïng s¬ ®å ®Êu nèi nh− h×nh 6- 1 7. Phần I Chơng 6 : Thiết bị bảo vệ chống sét 1 Kỹ thuật điện áp cao PDF... biến áp) . 9 Đối với mạng cao áp, để có đợc đặ tính V-S bằng phẳng khe hở phóng điện lại gồm nhiều phần tử ghép nối tiếp. Về phơng diện điện có thể xem nó nh một chuỗi điện dung nối tiếp. Điện áp phân bố không đều dọc theo chuỗi sẽ làm cho quá trình phóng điện kế tiếp sẽ xảy ra nhanh chóng trên tất cả các khe hở phóng điện. Đo đó trị số điện áp phóng điện có thể giảm tới mức ổn định (điện áp phóng... rò qua chống sét van. Điện áp danh định kV 12,7 Điện áp làm việc lớn nhất kV 24 Điện áp d khi có dòng điện định mức kV <75 Dòng điện định mức kA 5 Điện áp khi có dòng sét (sãng 4/10μs) kA 65 Lo¹i chèng sÐt van này do cấu tạo và vỏ bọc silicone rất chịu đựng đợc các trạng thái láp đặt ví dụ láp đặt ngang. 3EP4 Chốn g sét van không khe hở MOA (metal-oxide arrester) vá b»ng sø . 110/ 7-3 0 400 450 500 405/400 -/ 460 -/ 490 450/48 0-/ 505 -/ 538 217 265 282212234255PT 220/ 2-1 0 500 60 0 700 800 -/ 1050 -/ 1100 -/ 1150 -/ 1200 -/ 1100 -/ 1150 -/ 1200. PBO 12,7 2 5-3 0 2 5-3 0 2 6- 3 0,523,5 25.5 48 23,5 28 43 26, 5 30 45 30,5 33 - 20 I II III PBM PBC 25 4 2-4 8 4 7-5 6 4 9 -6 0, 566 74 80 50 62 75 54 67 80 60 74 88 35