CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC
4.3. Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây 220kV
4.3.2. Xác định tổng số lần sét đánh vào đường dây
4.3.3.3. Tính suất cắt đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột
Hình 4.11. Sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột
Trong trường hợp này ta phải tính toán suất cắt cho pha có quá điện áp đặt lên cách điện lớn nhất Ucđ(t) max vì khi đó xác suất phóng điện của pha đó sẽ lớn nhất.
Ucđ(t) được xác định theo công thức sau:
(4.20)
Theo công thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột bao gồm:
- Thành phần điện áp giáng trên cột:
i
c
Dây dẫn Dây chống sét
RC
i
s
RC
R
C
Dây dẫn Dây chống sét
(4.21) Trong đó:
- Rc: điện trở nối đất của cột điện.
- ic: dòng điện sét đi vào thân cột tới bộ phận nối đất.
- Lcdd: trị số điện cảm của cột điện tính từ mặt đất tới mức treo dây dẫn:
Lcdd= h
dd Lo
Với: + L0: điện cảm đơn vị thân cột: L0 = 0,6μH/m + hdd: độ treo cao dây dẫn ở cột (m)
- Thành phần điện áp cảm ứng từ xuất hiện do hỗ cảm của dây dẫn và kênh sét gây ra:
(4.22) Trong đó:
- Mdd(t): hỗ cảm giữa mạch khe phóng điện sét với mạch dây dẫn.
Với mạch vòng của dây dẫn - đất, trị số hỗ cảm là hàm của thời gian và chiều dài khe sét tăng cùng sự phát triển của phóng điện ngược:
(4.23)
Với: + hc: độ cao của cột điện (m) + H = hc + hdd (m)
+Δh = hc - hdd (m)
+ v: tốc độ phát triển của phóng điện ngược của khe sét:
v = β c = 0,3 300 = 90m/μs
+ c: vận tốc truyền sóng trong không khí: c = 300m/μs +β: hệ số vận tốc của dòng sét, lấy β = 0,3
+ dis
dt : tốc độ biến thiên của dòng điện sét trong cột, sự biến thiên có sự thay đổi trước và sau khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về, khi tính toán với dạng sóng xiên góc is = at ta có thể tính:
dis
dt = a(kA/μs): độ dốc của sóng sét.
- Thành phần điện cảm của điện áp cảm ứng gây ra bởi điện trường của khe hở phóng điện sét:
(4.24) Trong đó:
+ nói lên rằng Ucud (t) giảm do tác dụng của dây chống sét.
+ Kvq: hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét khi có xét đến ảnh hưởng của vầng quang.
- Thành phần điện áp do dòng điện đi trong dây chống sét gây ra:
Thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện và tỷ lệ với điện áp trong dây chống sét qua hệ số ngẫu hợp K giữa dây dẫn và dây chống sét (có kể đến ảnh hưởng vầng quang).
(4.25)
Trong đó:
+ a Mcs(t): điện áp do hỗ cảm giữa khe sét với dây chống sét - đất:
+ Mcs(t): hỗ cảm giữa mạch khe sét và mạch dây chống sét - đất, hỗ cảm này cũng biến thiên theo sự phát triển, tức là cũng biến thiên theo thời gian:
(4.26) - Thành phần điện áp làm việc:
(4.27) Ta lần lượt đi tính các thành phần đối với các pha. Để tính được các thành phần điện áp ta cần phải tính được dòng điện đi vào cột ic(t) và thành phần biến thiên dòng điện theo thời gian . Khi tính toán dòng điện này ta có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét trong hai trường hợp như sau:
- Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về .
Hình 4.12. Sơ đồ thay thế mạch khi chưa có sóng phản xạ
Trong đó:
: là điện cảm của cột.
Rc : là điện trở nối đất của cột.
: tổng trở sóng dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang.
Trong sơ đồ thay thế, dòng điện sét được coi như một nguồn dòng, dây chống sét được biểu thị bằng tổng trở của dây chống sét có xét đến ảnh hưởng của vầng quang.
Thành phần từ của điện áp cảm ứng được coi như một nguồn áp. Từ sơ đồ trên ta tính được dòng điện trong cột:
(4.28)
Với
(4.29)
Từ đó ta có:
(4.30)
- Khi có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về
Hình 4.13. Sơ đồ thay thế mạch khi có sóng phản xạ
Với Lcs là điện cảm của một khoảng vượt của dây chống sét không kể ảnh hưởng vầng quang:
(4.31) :Tổng trở sóng chống sét khi không xét đến ảnh hưởng vầng quang.
Từ sơ đồ trên ta tính được:
(4.32)
Do đó: (4.33)
Với (4.34) Để so sánh giá trị Ucđ(a,t) giữa các pha, ta tiến hành so sánh với một giá trị cụ thể như sau: a = 20 kA/às và t = 4 às.
* Điện áp đặt lên cách điện pha A Ta có thông số của pha A như sau:
Từ các thông số trên ta tính được các giá trị của các thành phần điện áp như sau:
Ở thời gian này có sóng phản xạ từ cột lên cận về do đó điện áp đặt lên cách điện được tính theo hình 4.13. Áp dụng các công thức ở trên ta tính được:
Thành phần điện áp giáng trên cột:
Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét:
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét:
Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trong dây chống sét gây ra:
Thành phần điện áp làm việc:
Vậy điện áp tác dụng lên cách điện pha A là:
* Điện áp đặt lên cách điện pha B (C) Ta có thông số của pha B như sau:
Từ các thông số trên ta tính được các giá trị của các thành phần điện áp như sau:
Ở thời gian này có sóng phản xạ từ cột lên cận về do đó điện áp đặt lên cách điện được tính theo hình 4.13. Áp dụng các công thức ở trên ta tính được:
Thành phần điện áp giáng trên cột:
Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét:
Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét:
Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trong dây chống sét gây ra:
Thành phần điện áp làm việc:
Vậy điện áp tác dụng lên cách điện pha B là:
Nhận xét: . Vì điện áp đặt lên
cách điện pha A lớn hơn điện áp cách điện pha B và C nên ta chọn pha A để tính toán điện áp tác dụng cách điện lên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột, qua đó tính xác suất phóng điện Vpđ.
* Tính toán quá điện áp đặt lên chuỗi sứ Ucđ(a,t) pha A.
Ta có thông số của pha A như sau:
,
- Thành phần điện áp giáng trên cột:
Áp dụng công thức 4.21 ta có:
- Thành phần điện áp cảm ứng từ:
Áp dụng công thức 4.22 và 4.23 ta có:
- Thành phần điện áp làm việc:
- Thành phần điện áp cảm ứng điện:
Áp dụng công thức 4.24 ta có:
- Thành phần điện áp: Udcs(t)
Áp dụng công thức 4.25 và 4.26 ta có:
- Biểu thức tổng quát điện áp đặt lên chuỗi sứ cách điện pha A:
Rút gọn:
(4.35) Trong công thức trên giá trị và sẽ được tính như sau:
- Trước khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về:
Áp dụng công thức 4.28, 4.29 và 4.30 ta có:
- Sau khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về:
Áp dụng công thức 4.32, 4.33 và 4.34 ta có:
Thay cỏc giỏ trị và ở cỏc thời điểm t ≤ 2às và t > 2 às vào cụng thức 4.35 ta được Ucđ(t) như sau:
- Trước khi cú súng phản xạ về: t ≤ 2às
(4.36) - Sau khi cú súng phản xạ từ cột lõn cận về: t > 2 às
Từ đó ta được bảng ghi các giá trị Ucđ (ai, ti) tại các thời điểm với độ dốc đầu sóng khác nhau:
Ta có bảng kết quả tính toán giá trị Ucđ(a,t):
(4.37)
Bảng 4.6. Kết quả tính giá trị Ucđ(a,t) khi sét đánh vào đỉnh cột
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Trước khi có sóng phản xạ về
0,1 228,924 330,831 432,738 534,646 636,553 738,460 840,367 942,274 1044,181 1146,088 1 446,254 765,492 1084,729 1403,967 1723,204 2042,441 2361,679 2680,916 3000,154 3319,391 2 599,328 1071,638 1543,949 2016,260 2488,570 2960,881 3433,192 3905,502 4377,813 4850,124 Sau
khi có sóng phản xạ về
2 587,804 1048,592 1509,379 1970,166 2430,954 2891,741 3352,528 3813,316 4274,103 4734,890 3 700,207 1273,398 1846,588 2419,778 2992,969 3566,159 4139,350 4712,540 5285,730 5858,921 4 797,812 1468,607 2139,403 2810,198 3480,993 4151,788 4822,584 5493,379 6164,174 6834,969 5 885,702 1644,387 2403,072 3161,757 3920,442 4679,127 5437,812 6196,497 6955,182 7713,866 6 966,389 1805,760 2645,132 3484,503 4323,875 5163,247 6002,618 6841,990 7681,362 8520,733
7 1041,32
9 1955,640 2869,952 3784,263 4698,575 5612,887 6527,198 7441,510 8355,821 9270,133
8 1111,46
0 2095,904 3080,347 4064,791 5049,234 6033,677 7018,121 8002,564 8987,008 9971,451
9 1177,43
7 2227,857 3278,277 4328,697 5379,117 6429,537 7479,957 8530,377 9580,797 10631,216 10 1239,74 2352,462 3465,185 4577,907 5690,630 6803,352 7916,075 9028,797 10141,520 11254,242 t a
0
Từ số liệu ở bảng trên ta vẽ được quan hệ Ucđ(t) = f(a,t) như sau:
Hình 4.14. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ucđ(t) = f(a,t)
Từ đồ thị trên ta xác định đươc các cặp thông số nguy hiểm (ai,Ii) như bảng sau:
Bảng 4.7. Các cặp thông số nguy hiểm (ai,Ii) trường hợp sét đảnh đỉnh cột
a (kA/s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t (s) 9,04 3,65 2,25 1,49 1,05 0,81 0,64 0,50 0,40 0,31
I (kA) 90,4 73 67,5 59,6 52,5 48,6 44,8 40,24 36 31
Từ đó ta có đồ thị đường cong nguy hiểm:
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
MIỀN NGUY HIỂM
a (kA/s)
I (kA)
Hình 4.15. Đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào đỉnh cột
Từ đồ thị trên ta xác định đươc các cặp giá trị (ai,Ii), từ đó xác định được xác suất phóng điện của chuỗi sứ pha A như sau:
Bảng 4.8. Kết quả tính xác suất phóng điện
a (kA/às) I (kA) VIi (10-4) Va(10-2) ∆Vai(10-2) ∆Vpđ(10-6)
10 90,40 313,1677 39,9544 23,9909 7513,1627
20 73,00 609,9674 15,9635 9,5854 5846,7853
30 67,50 753,0514 6,3781 3,8298 2884,0304
40 59,60 1019,2430 2,5483 1,5302 1559,6159
50 52,50 1337,8861 1,0182 0,6114 817,9444
60 48,60 1553,5088 0,4068 0,2443 379,4749
70 44,80 1796,9845 0,1625 0,0976 175,3793
80 40,24 2140,0360 0,0649 0,0390 83,4487
90 36,00 2517,5212 0,0259 0,0156 39,2226
100 31,00 3049,0975 0,0104
Vậy xác suất phóng điện:
Vậy suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột là: