Bảng 4.14: Tổng hợp các kết quả tính toán

- Ta có số lần cắt điện do sét đánh vào đỉnh cột với Rc = 10:

. pđ. 104, 6.0, 69.0, 011097 0,8009

đc đc đc

n  N v    (lần/100km/năm)

Tính toán tƣơng tự cho trƣờng hợp Rc=7  Và Rc= 15 ta có bảng kết quả sau :

Bảng 4.14: Tổng hợp các kết quả tính toán Rc pd dc c N 7 0,006389 0,4612 10 0,011097 0,8009 15 0,019141 1,3815

Suất cắt tổng cộng do sét đánh vào đường dây.

+)Khi Rc=7

Suất cắt điện do sét đánh vào đƣờng dây.

nc nddnkv ndc=0,474+0,0036+0,4612 =0,9388 (lần/100km.năm) Chỉ tiêu chống sét của đƣờng dây tải điện.

1 1 1, 07 0,9388 c n n    (năm/1lần cắt điện). +)Khi Rc=10

Suất cắt điện do sét đánh vào đƣờng dây.

nc nddnkv ndc=0,474+0,0433+0,8009=1,3182 (lần/100km.năm) Chỉ tiêu chống sét của đƣờng dây tải điện.

1 1 0, 7586 1,3182 c n n    (năm/1lần cắt điện). +)Khi Rc=15

Suất cắt điện do sét đánh vào đƣờng dây.

nc nddnkv ndc=0,474+0,04691+1,3815=1,90241 (lần/100km.năm) Chỉ tiêu chống sét của đƣờng dây tải điện.

1 1 0,5256 1,90441 c n n    (năm/1lần cắt điện).

=>Kết luận: Giá trị điện trở cột giảm thì suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột giảm và suất cắt tổng cộng do sét đánh vào đƣờng dây cũng giảm. Nhƣ vậy khi tính toán thiết kế ta phải làm cách giảm điện trở cột để giảm suất cắt khi có sét đánh.

PHẦN HAI: CHUYÊN ĐỀ TÍNH TOÁN SÓNG TRUYỀN TỪ ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN VÀO

CHƢƠNG V BẢO VỆ SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRUYỀN TỪ ĐƢỜNG DÂY VÀO TRẠM

I. Khái niệm chung

Bảo vệ quá điện áp do sét đánh từ đƣờng dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao. Đó là vì trong trạm có những thiết bị rất quan trọng, giá thành cao ( máy biến áp, máy cắt điện, động cơ máy, thiết bị bù đồng bộ…), cách điện của các thiết bị trong trạm lại yếu hơn nhiều so với cách điện đƣờng dây, do đó những sóng xuất hiện bởi sét đánh vào đƣờng dây không gây ra phóng điện truyền vào trạm lại là những sóng nguy hiểm đối với các thiết bị.

Để bảo vệ chống sóng truyền vào trạm ngƣời ta dùng chống sét ống, chống sét van tăng cƣờng bảo vệ cho đoạn đƣờng dây gần trạm, sử dụng đƣờng dây cáp, tụ điện, kháng điện…

Tính toán sóng truyền vào trạm nhằm:

- Xác đinh chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm (số năm làm việc an toàn của trạm với sóng quá điện áp) sau khi dự kiến đặt thiết bị bảo vệ.

- Xác định chiều dài cần thiết của đoạn tới trạm cần bảo vệ.

- Trên cơ sở những số liệu cần tính toán, theo chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, xác định số lƣợng, vị trí đặt chống sét van và các thiết bị bảo vệ các một cách hợp lý.

Chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là một số liệu quan trọng, nó cho phép đánh giá mức độ an toàn với sóng quá điện áp của trạm. Tuy nhiên việc tính toán lại khá phức tạp, khối lƣợng tính toán lớn. Trƣớc hết do tham số của sóng truyền từ đƣờng dây vào trạm rất khác nhau (phụ thuộc vào tham số của dòng điện sét, vào kết cấu của đƣờng dây, vị trí sét đánh…), do đó việc tính toán quá điện áp trong trạm không phải với một hay vài sóng nhất định mà phải tính với nhiều tham số khác nhau. Dựa vào đó tìm ra tham số tới hạn nguy hiểm của sóng sét truyền vào trạm, vƣợt qua trị số này sẽ xảy ra phóng điện ở ít nhất một thiết bị nào đó trong trạm.

Với trị số tới hạn của tham số sóng sét, biết phân bố xác suất của chúng có thể tính đƣợc chỉ tiêu bảo vệ sóng truyền vào trạm.

Tuy nhiên không giống nhƣ tham số của dòng điện sét không có phân bố xác suất chung cho tham số các sóng sét truyền đến trạm, vì nó rất khác nhau trong từng lƣới điện và từng trạm cụ thể. Việc xác định phân bố này đối với từng trạm cũng rất phức tạp nên ngƣời ta phải sử dụng một số giả thiết đơn giản hóa.

Một khó khăn nữa trong việc tính toán bảo vệ sóng truyền vào trạm là khối lƣợng tính toán lớn. Trƣớc hết bài toán truyền sóng trong trạm với một sóng có tham

số cho trƣớc truyền vào đƣờng dây đã khá phức tạp (mạng có nhiều nút) khối lƣợng tính toán lớn, tính toán với nhiều sóng khác nhau tốn rất nhiều thời gian. Thực tế ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp đo đạc trực tiếp trên mô hình hay máy điện tính điện tử. Với những trạm đơn giản ngƣời ta có thể tính bằng phƣơng pháp lập bảng.

Trong đồ án thiết kế này do hạn chế thời gian nên em chỉ dừng lại ở việc xác định quá điện áp xuất hiện trên cách điện của các thiết bị theo một hoặc một vài sóng truyền vào trạm cho trƣớc. so sánh quá điện áp này với đặc tính phóng điện của thiết bị tƣơng ứng để đánh giá khả năng gây phóng điện. Coi rằng trạm sẽ an toàn nếu tất cả các đƣờng điện áp xuất hiện trên cách điện đều nằm dƣới đƣờng đặc tính V-S của chúng.

Do trạm đƣợc bảo vệ với mức an toàn rất cao nên khi xét độ bền cách điện của các thiết bị không kể đến hiệu ứng tích lũy và đặc tính cách điện đƣợc lấy với điện áp thí nghiệm phóng điện xung kích.

Thƣờng sóng quá điện áp xuất hiện trên cách điện có độ dài sóng lớn, biên độ bằng điện áp dƣ trên chống sét vẫn xếp chồng với một điện áp nhảy vọt hoặc dao động. Vì thế phải lấy điện áp thí nghiệm phóng điện xung kích với sóng cắt và toàn sóng, so sánh với toàn bộ đƣờng cong sóng quá điện áp.

II. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI CÓ SÓNG TRUYỀN VÀO TRẠM

2.1 Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phƣơng pháp lập bảng.

Thực chất của phƣơng pháp này là giải bài toán truyền sóng trong mạng phức tạp. Ta biết rằng quá trình truyền sóng sẽ hoàn toàn xác định nếu ta xác định đƣợc sự biến dạng của sóng khi truyền trên đƣờng dây, xác định đƣợc sóng phản xạ và khúc xạ khi truyền tới các nút.

Do sóng truyền trong trạm trên những khoảng cách không lớn gữa các nút nên có thể coi quá trình truyền sóng là không biến dạng. Điều đó cho phép tính toán đơn giản và thực hiện dễ dàng bằng phƣơng pháp lập bảng. ta sẽ xét kĩ hơn bản chất của phƣơng pháp này.

Trƣớc hết do sóng truyền không biến dạng và truyền đi với tốc độ không đổi v trên đƣờng dây nên nếu có một sóng từ nút m nào đó đến nút x, tại nút m sóng có dạng Umx(t),

umx umx

v

l x

m

Hình 5.1 Sóng truyền trên đƣờng dây

Từ đó thấy rằng nếu dùng phƣơng pháp lập bảng, các giá trị của sóng phản xạ tại nút m đƣợc ghi trong một cột thì các giá trị của sóng đó tới nút x giống nhƣ cột sóng phản hồi tại nút m, chỉ lùi một khoảng tọa độ thời gian.

Việc xác định sóng phản xạ và khúc xạ tại một nút dễ dàng đƣợc xác định bằng quy tắc Peterson và nguyên lý sóng đẳng trị.

Theo quy tắc Peterson, một sóng truyền trên đƣờng dây có tổng trở sóng Z đến một tổng trở sóng Zx ở cuối thì sóng phản xạ và khúc xạ ở cuối đƣờng dây có thể tính đƣợc nhờ sơ đồ tƣơng đƣơng với thông số tập trung nhƣ hình 2.

Hình 5.2 Sơ đồ tƣơng đƣơng với thông số tập trung

Với sơ đồ này, sóng khúc xạ Ux đƣợc tính nhƣ điện áp giáng trên phần Zx còn sóng phản xạ:

Uxm = Ux – Ut (5.1) Với Ut là sóng tới.

- Nếu Z và Zx là các thống số tuyến tính, Ut là hàm thời gian có ảnh phức hoặc toán tử thì có thể tìm Ux bằng phƣơng pháp số hoặc phƣơng pháp toán tử.

- Nếu Zx là điện dung tập trung và Ut có dạng đƣờng cong bất kỳ thì Ux đƣợc tính bằng phƣơng pháp gần đúng. Ví dụ phƣơng pháp tiếp tuyến.

- Nếu Zx phi tuyến (tổng trở của chống sét van) thì phải xác định Ux bằng phƣơng pháp đồ thị.

- Trƣờng hợp nút x có nhiều đƣờng dây đi đến thì có thể lập sơ đồ Perterson bằng cách áp dụng quy tắc sóng đẳng trị. Trong trƣờng hợp này sơ đồ tƣơng đƣơng vẫn giống

Ut Z

x

Zx 2U t Ux Zx

nhƣ khi có một đƣờng dây chỉ khác nguồn phải lấy là 2Udt và tổng trở sóng phải lấy là Zdt. n ' dt mx mx m 1 2U .U (t) (5.2)   Trong đó: ' mx U (t)là sóng tới từ x tới nút m αmx là hệ số khúc xạ dt mx mx 2Z Z  

Zmx là tổng trở sóng của đƣờng dây nối nút m và nút x.

dt n 1x 2x nx m 1 mx 1 Z Z / /Z / /... / /Z (5.3) 1 Z    

Sóng khúc xạ Ux cũng đƣợc tính bằng các phƣơng pháp nhƣ đối với trƣờng hợp có một đƣờng dây tùy theo tính chất của Zx (hình 3)

Hình 5.3 Quy tắc sóng đẳng trị

Sóng phản xạ Uxm: '

xm x x

U U U (5.4)

Công thức trên vẫn đúng trong trƣờng hợp chỉ có sóng tới từ một vài đƣờng dây. Lúc đó một vài đƣờng dây còn lại chỉ có sóng phản xạ Uxm = Ux.

Biết chiều dài đƣờng dây giữa các nút ta tính đƣợc thời gian truyền sóng. Bằng phƣơng pháp nêu trên ta hoàn toàn xác định đƣợc quá trình lan truyền sóng trong mạng theo thời gian đồng thời biết đƣợc điện áp tại các nút.

Để thuận tiện cho việc tính toán tại các nút ngƣời ta qui ƣớc chung là lấy thời điểm sóng tới nút đầu tiên làm gốc thời gian cho nút đó.

Nhƣ thế theo con đƣờng truyền sóng, gốc thời gian của các nút phía sau chậm hơn so với các nút trƣớc đó một khoảng thời gian bằng thời gian truyền sóng từ nút trƣớc.

 m  

(x)

mx

t t t 5.5

Gốc thời gian của sóng phản xạ từ nút m đƣợc chọn theo gốc thời gian của nút m. Gốc thời gian của sóng tới nút x đƣợc chọn theo gốc thời gian của nút x.

Nhƣ vậy nếu ký hiệu Umx là sóng phản xạ từ nút m, U'mxlà sóng tới nút x do sóng phản xạ Umx từ nút m truyền đến, ta có:

'

mx x mx m mx mx x mx

U (t ) U (t t ) U (t 2t ) (5.6)

Nghĩa là với cách chọn gốc thời gian nhƣ trên thì ' mx

U chậm sau Umx một khoảng thời gian bằng 2 lần thời gian truyền sóng giữa hai nút m và x.

Do quá trình truyền sóng có phản xạ nhiều lần nên quá trình tính toán lặp đi lặp lại đối với các nút, số liệu của nút sau đƣợc sử dụng để tính toán cho nút trƣớc và ngƣợc lại, do đó dùng phƣơng pháp lập bảng có nhiều thuận lợi.

2.2. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phƣơng pháp đồ thị.

Đặc tính của chống sét van:

Chống sét van là thiết bị bán dẫn điện với các điện trở phi tuyến (m đến ). Phổ biến là loại điện trở phi tuyến trên cơ sở ôxit kẽm ZnO.Dƣới tác dụng của điện áp danh định lƣới điện, dòng điện rò qua nó là rất bé (nhỏ hơn 10mA). Nhƣng khi có điện áp lớn đặt vào thì điện trở sẽ giảm mạnh. Điều này đƣợc thể hiện rất rõ trong đặc tính V-A của chống sét van ZnO. Ở đây ta chọn loại chống sét van không khe hở bởi vì nó có nhiều ƣu điểm hơn so với loại chống sét van có khe hở



I A U  .

    I(kA) U(kV)

Hình 5.4: Đặc tính V – A của chống sét van ZnO.

 thay đổi trong khoảng từ 0,02  0,03

Với trạm ta chọn chống sét van có đặc tính V – A nhƣ sau: 485; 0, 025

A   (đặc tính của chống sét van ABB)

Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van:

Nếu tại điểm nút có ghép điện cảm, điện dung hoặc điện trở và sóng tới có dạng bất kỳ thì việc xác định điện áp điểm nút bằng phƣơng pháp toán học thƣờng rất phức tạp. Trong các trƣờng hợp này có thể dùng phƣơng pháp đồ thị.

Tác dụng của sóng bất kỳ lên điện trở phi tuyến đặt ở cuối đƣờng dây (Hình 5.5)

Ut Z x CSV Z CSV 2Ut Ux

Hình 5.5 Sóng tác dụng lên điện trở phi tuyến đặt cuối đƣờng dây

Ta có phƣơng trình theo sơ đồ Peterson:

   

t CSV CSV

2U t U i .Z 5.7

Để xác định điện áp có thể dùng phƣơng pháp đồ thị nhƣ hình 5.6 Với loại chống sét van không khe hở:

Hình 5.6: Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A

Phần bên phải vẽ đặc tính V-A của chống sét van và điện áp giáng trên tổng trở sóng icsv.Z sau đó xây dựng đƣờng cong ucsv + icsv.Z. phần bên trái vẽ quan hệ 2ut(t). Ứng với trị số bất kỳ a của sóng tới dóng ngang sang, xác định một điểm b trên đƣờng cong ucsv + icsv.Z. từ điểm b dóng thẳng xuống gặp đƣờng đặc tính V-A đƣợc điểm c, từ điểm c dóng ngang sang gặp đƣờng dòng từ trên xuống tại điểm d, điểm d này thuộc đặc tính Ucsv(t), thay đổi giá trị của a ta có các giá trị của d từ đó xây dựng đặc tính Ucsv(t), độ chênh lệch của 2 đƣờng đặc tính bên phía trái cho ta sóng phản xạ từ phía chống sét van về phía đƣờng dây.

Khi có sóng dạng bất kỳ vào trạm, trƣớc khi chống sét van làm việc thì điện áp đặt lên cách điện ( cũng là điện áp đặt lên chống sét van ) có giá trị bằng 2ut(t). Chống sét làm việc khi đƣờng đặc tính V-S của nó giao với đƣờng 2ut(t), lúc này điện trở phi tuyến của chống sét van đƣợc ghép trực tiếp vào mạch và điện áp đặt lên chống sét van cũng chính là điện áp đặt lên cách điên của thiết bị.

2.3. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phƣơng pháp tiếp tuyến

2Udt UCSV (t) U, kV UCSV + iCSV.Zdt iCSV.Zdt UCSV I, kA O t ICSV (t) ICSV, kA a b c d g h e

Hình 5.7 Sóng tác dụng lên điện dung đặt cuối đƣờng dây

Thực chất của phƣơng pháp này là cách giải bằng đồ thị phƣơng trình vi phân dạng:

 

dY

ay F(t) 5.8

dt  

Ví dụ sơ đồ trên là sơ đồ sóng truyền vào trạm biến áp cùng với giả thiết điện dung C đã đƣợc nạp sẵn tới điện áp UC0, phƣơng trình điện áp đƣợc viết:

C C dU (t) CZ U (t) 2.U(t) dt   hoặc       C C dU t U t 1 2U t dt  T T với T = CZ       C C U 1 2U t U t t T           C C t U 2U t U t T     C C C U (t  t) U (t) U

Nếu biết trƣớc đƣờng cong điện áp nguồn U(t) thì ta vẽ đƣợc hàm số 2U(t). Trên hệ tọa độ phụ lệch so với khoảng thời gian T tiến hành việc xác định điện áp UC(t) trƣớc tiên chia trục hoành thành nhiều khoảng thời gian Δt bằng nhau, sau đó từ điểm UC0 (trị số UC tại t=0) vẽ đƣờng xiên góc tời trị số của hàm số 2U(t) tại thời điểm đầu tiên và thừa nhận là trong khoảng thời gian Δt1 hàm UC(t) trùng với đƣờng xiên đó. Tiếp tục từ điểm 1 của đƣờng UC(t) vẽ đƣờng xiên tới trị số của hàm số 2U(t) ở đầu khoảng thời gian 2Δt = Δt2 và cũng thừa nhận trong khoảng thời gian này hàm UC(t) trùng với đƣờng xiên đó. Các bƣớc tiếp theo cũng tiến hành tƣơng tự và điện áp UC(t) có dạng đƣờng gãy khúc.

Ut Z

C

Z

Hình 5.8 Xác định điện áp UC(t) bằng phƣơng pháp tiếp tuyến

III. TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM 3.1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất của trạm

Khi lập sơ đồ tính toán cần xác định chế độ vận hành nguy hiểm nhất về mặt bảo vệ sóng truyền vào trạm, điều đó đảm bảo số liệu tính toán cho khả năng xác định mức độ bảo vệ an toàn cao nhất.

Sơ đồ xuất phát thƣờng rất phức tạp, do đó để quá trình tính toán không phức tạp lắm cần có sự đơn giản hóa hợp lý.

Do thời gian duy trì sóng quá điện áp khí quyển rất ngắn cỡ vài chục s,nên điện