CHƯƠNG IV:BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
B. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP TRÊN CÁCH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ KHI Cể SểNG TRUYỀN VÀO TRẠM
I. Tính toán điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng truyền vào trạm bằng phương pháp lặp bảng
I.1. Nội dung phương pháp
I.1.3. Xác định điện áp trên điện dung
Khi tổng trở Zx là tụ điện với điện dung C thì phương trình (II.2) được viết như sau:
dt c dt c
2U (t) U (t) Z .i (t) = +
(II-3) Trong đó: Uc(t)- điện áp trên điện dung C.
Zdt - tổng trở sóng đẳng trị của n đường dây tới nút x.
a, Phương pháp sơ đồ Petersen Ta có sơ đồ thay thế như sau:
Zc Zdt U(t)
x
Zc Zdt
2Udt
x Uc
Hình II-4: Sơ đồ thay thế Petsersen xác định điện áp trên điện dung
Vì q = Uc.C và dq = ic.dt nên ta có:
c c
C.dU i (t) dq
dt dt
= =
(II-4)
Thay (II-4) vào công thức (II-3), ta được:
c
dt c dt
2U (t) U (t) Z .C.dU
= + dt
(II-5) Từ công thức (II-5), ta rút ra được dạng sai phân:
dt c
c c dt
dt c dt
c T CZ
T t U t U Z
C
t U t U t
U 2 ( ) ( ); .
.
) ( ) (
2 − = − =
∆ =
∆
(II-6)
Khi Tc >> ∆t thì:
( )
c dt c
c
U 2U (t) U (t) . t T
∆ = − ∆
(II-7)
Từ đó, ta rút ra được: c c c
U (t − ∆ = t) U (t) − ∆ U
(II-8) với điều kiện đầu: Uc(0) = 0.
b, Phương pháp tiếp tuyến liên tiếp
Ta xét ví dụ Hình II-5a khi có sóng tới Ut (t) lan truyền dọc đường dây có chiều dài l và tổng trở sóng Zc và ở cuối đường dây có đặt một điện dung. Giả thiết rằng ban đầu tụ điện đã được nạp điện đến điện áp Uc0.
Phương trình điện áp được viết dưới dạng:
c
c c t
C.Z .dU 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 ta biết được biến thiên theo thời gian của sóng tới Ut (t), ta có thể vẽ được đường cong 2Ut (t) như minh họa trên Hình II-5c. Ta sẽ xác định điện áp Uc (t) trên một hệ tọa độ thứ hai bị lệch so với hệ tọa độ thứ nhất một khoảng thời gian bằng T.
Trước hết chúng ta chia trục hoành thành các khoảng thời gian ∆t và chúng ta nối điểm Uc0 với điểm trên đường cong 2Ut (t) ở cuối khoảng thời gian đầu tiên. Ta cho rằng điện áp Uc trong khoảng thời gian này thay đổi theo đoạn thẳng này. Tiếp theo nối điểm 1 của đường cong Uc (t) với điểm trên đường cong 2Ut (t) vào cuối khoảng thời gian thứ hai. Bằng cách này ta xác định dần dần điện áp Uc (t) như minh họa trên Hình II-5
Trong khoảng thời gian ∆t, ta thay đường cong Uc (t) bằng các đoạn thẳng tiếp tuyến, do đó nếu chọn ∆t càng nhỏ thì kết quả càng chính xác. Lưu ý rằng tại thời điểm τ=2l/v, sóng phản xạ từ cuối đường dây sẽ trở về và được xác định:
px c t
U (t) U (t) U (t)= −
Và từ thời điểm này, đường cong 2Ut (t) cần phải thay thế bằng đường cong:
) ( ) (
2Ut t −Upx t
l
Zc Uc0 C Uc 2Ut (t)
I Zc
C Uc Uc0
a)
b) u
t t
t1 t2 t3 t4∆t5t5
Δt1 ∆t2∆t3 ∆t4 ∆t1 ∆t2∆t3 ∆t4∆t5
Uc0 Uc (t)
u
A
B
C
T τ=2l/v
2Ut (t)
2Ut(t)-Upx(t)
0 c)
Hình II-5: Đồ thị điện áp trên tụ điện theo phương pháp tiếp tuyến I.1.4. Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van
Đặc tính của chống sét van
Việc tính toán chống sóng truyền vào trạm chính là việc tính toán để lựa chọn chống sét van. Chống sét van được chia làm hai loại là chống sét van có khe hở và chống sét van không khe hở. Ta chọn loại chống sét van không khe hở bởi vì nó có nhiều ưu diểm hơn so với loại chống sét van có khe hở.
Xét đặc tính V-A của chống sét van được viết dưới dạng:
UCSV =A.iα
(II-9) Khi cho α các giá trị khác nhau, ta vẽ được đồ thị như sau:
I II
U, kV
α=1
α=0,2 α=0,02
α=0
1 I, kA
A
Hình II-6: Đặc tính V-A của chống sét van
Hệ số phi tuyến của chống sét van SiC biến thiên trong phạm vi 0,18÷0,24 còn hệ số phi tuyến của chống sét van ZnO biến thiên trong phạm vi 0,02÷0,03 như trên Hình II-6.
+ Miền II ứng với miền làm việc của chống sét van có dòng điện I ≥ 1kA. Khi đó điện áp dư của loại chống sét van có điện trở phi tuyến làm bằng ZnO thấp hơn loại chống sét van có điện trở phi tuyến làm bằng SiC. Như vậy nếu sử dụng loại chống sét van dùng điện trở phi tuyến làm bằng ZnO sẽ có độ an toàn cao hơn (do điện áp dư thấp thì khả năng nguy hiểm đến các thiết bị khác trong trạm giảm xuống) và do đó làm giảm thấp mức cách điện xung kích trong trạm.
+ Miền I ứng với khi không có quá điện áp, dòng điện rò trên điện trở ZnO rất bé so dòng rò trên điện trở SiC và bé đến mức có thể nối trực tiếp loại điện trở này vào lưới điện mà không cần dao cách ly bằng khe hở như chống sét van cổ điển (dùng điện trở phi tuyến SiC).
Xác định điện áp và dòng điện trên chống sét van
Sơ đồ Petersen xác định điện áp trên chống sét van như sau:
U1 U2
ZCSV 2Udt
Zdt
ZCSV UCSV
Hình II-7: Sơ đồ thay thế Petersen cho chống sét van
Từ sơ đồ thay thế, ta có phương trình:
dt dt CSV CSV
2U =Z .i +A.iα
(II-10) trong đó: A=295 và α=0,025
Mặt khác, ta đã biết đặc tính V-A của chống sét van: CSV CSV CSV U =f (i ) A.i= α
nên ta vẽ được đồ thị Hình II.8.
Vì UCSV (t) và ICSV (t) phụ thuộc hoàn toàn vào đặc tính V-S của chống sét van nên ta có cách tính UCSV (t) và ICSV (t) theo phương pháp đồ thị như sau:
- Phần bên phải vẽ đường đặc tính V-A: UCSV=f(iCSV) và điện áp giáng trên tổng trở Ztd là Ztd.iCSV, sau đó xây dựng đường cong UCSV +Ztd.iCSV bằng phương pháp cộng đồ thị tương ứng với một giá trị iCSV nào đó.
- Phần bên trái ta vẽ quan hệ 2Utd (t). Ứng với bất kỳ một sóng nào đó ta đều xác định được một điểm a nào đó trên đường 2Utd (t), từ điểm a ta dóng sang bên phải song song với trục OI, gặp đường cong UCSV+Ztd.iCSV ở điểm b, từ điểm b ta dóng xuống song song với trục OU, gặp đường UCSV tại điểm c, từ điểm c ta dóng song song với trục Ot gặp đường dóng thẳng từ điểm a xuống song song với OU tại d, d chính là giá trị UCSV (t) ứng với giá trị 2Utd (t) tại điểm a. Từ c ta tiếp tục dóng thẳng xuống trục OI cắt trục OI tại g, từ g ta chuyển sang toạ độ ICSV (t) ta có điểm h (với Oh=Og). Từ h ta dóng song song với Ot và gặp đường dóng thẳng từ a xuống tại e, e chính là giá trị ICSV (t) ứng với giá trị 2Utd (t) tại điểm a. Thay đổi nhiều giá trị a khác nhau và làm theo cách tương tự ta có đường cong đặc tính UCSV(t) và ICSV(t).
2UdtUt (t)
UCSV (t)
U, kV
UCSV + iCSV.Zdt
iCSV.Zdt UCSV
I, kA O
t
ICSV (t)
ICSV, kA
a b
d c
g
e h
Hình II-8: Đồ thị xác định U(t), I(t) của chống sét van từ đặc tính V-A