II. Các phƣơng pháp tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào
1. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng
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 truyền vào trạm
1. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phƣơng pháp lập bảng 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.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 93
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), thì khi tới x sóng có dạng U’mx(t-Δt) với Δt = l/v (hình 5-1).
Hình 5-1: Sóng truyền trên đường 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 5-2.
Hình 5-2: Sơ đồ tương đương 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 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.
umx umx
v
l x
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 94
- 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 nhƣ khi có một đƣờng dây chỉ khác nguồn phải lấy là 2Udt và tổng trở sóng phải lấy là Zdt. ' 1 2 . ( ) n dt mx mx m U U t Trong đó: ' ( ) mx U t là sóng tới từ x tới nút m. αmx là hệ số khúc xạ mx 2 dt mx Z Z
Zmx là tổng trở sóng của đƣờng dây nối nút m và nút x.
1 2 1 1 / / / /... / / 1 dt n x x nx mx m Z Z Z Z 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 5-3).
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 95
Sóng phản xạ Uxm:
'
xm x x
U U U
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.
( )x m mx
t t t
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:
'
( ) ( ) ( 2 )
mx x mx m mx mx x mx
U t U t t U t t
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.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 96
2. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phƣơng pháp đồ thị 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 .
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:
Hình 5-5: Sóng tác dụng lên điện trở phi tuyến đặt cuối đường dây.
Ta có phƣơng trình theo sơ đồ Peterson:
2U tt UCSV iCSV.Z I(kA) U(kV) Ut Z x CSV Z CSV 2Ut Ux
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 97
Để xác định điện áp có thể dùng phƣơng pháp đồ thị nhƣ hình 5-5. 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
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
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 98
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.
3. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phƣơng pháp tiếp tuyến phƣơng pháp tiếp tuyến
Ta xét ví dụ Hình 5.7a 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 áo đƣợc viết:
c c c t dU C.Z . U 2U (t) dt hay: c c t dU 1 1 .U .2U (t) dt T T
Trong đó: T = C.Zc là hằng số thời gian nạp mạch.
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 (hình 5.7c).
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 99
Hình 5-7: Đồ thị điện áp trên tụ điện theo phương pháp tiếp tuyến.
Trong khoảng thời gian ∆t, ta thay đƣờng cong Uc (t) bằng các đoạn thẳng tiếp tuyến, do đó nếu chọn ∆t càng nhỏ thì kết quả càng chính xác. Lƣu ý rằng tại thời điểm =2l/v, sóng phản xạ từ cuối đƣờng dây sẽ trở về và đƣợc xác định:
px c t
U (t)U (t)U (t)
Và từ thời điểm này, đƣờng cong 2Ut (t) cần phải thay thế bằng đƣờng cong: ) ( ) ( 2Ut t Upx t Ut (t) l Zc Uc0 C Uc 2Ut (t) I Zc C Uc Uc0 a) b) u t t t5 t1 t2 t3 t4 Δt5 Δt1 Δt2 Δt3 Δt4 Δt1 Δt2 Δt3 Δt4 Δt5 Uc0 Uc (t) u A B C T τ=2l/v 2Ut (t) 2Ut(t)-Upx(t) 0 c)
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Đ4 – H2 Page 100