CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC
4.2. Lý thuyết tính toán
4.2.1. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét
Để bảo vệ cho các đường dây tải điện người ta dùng dây chống sét thay cho các cột thu sét do đường dây trải dài trên một diện tích khá rộng lớn. Nó được treo phía trên các dây pha, có đường kính nhỏ hơn các dây pha và được nối đất ở từng cột. Các dây chống sét treo cao trên đường dây tải điện sao cho các dây pha nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một vùng dọc theo chiều dài đường dây, có mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét được xác định tương tự như với cột thu sét.
a. Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét
Hình 4.1. Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét
Xét dây chống sét treo ở độ cao h, bảo vệ cho độ cao hx.
Chiều rộng của phạm vi bảo vệ cho độ cao hx là 2bx, bx được xác định như sau:
- Nếu hx<2 3h
thì
- Nếu hx≥2 3h
thì
b. Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét
Hình 4.2. Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét treo cùng độ cao Xét hệ hai dây chống sét có độ cao h, đặt cách nhau một khoảng O1O2 = a.
Khi a ≤ 4h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa hai dây chống sét sẽ được bảo vệ an toàn.
DC S
2b
x
0,6 h
0,6 h 1,2
h
1,2 h O
h
x
0,8 h
h
a+2bx
h DCS2
bx
bx
O2
O1
R O
hx
1,2h 0,6h 0,6h 1,2h
0,8h DCS1 h
h0
Khoảng giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất: h0=h−a 4 . Phạm vi bảo vệ:
- Phần nằm giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0.
- Phần ngoài khoảng giữa hai dây chống sét là phạm vi bảo vệ của từng dây chống sét độc lập.
4.2.2. Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét 4.2.2.1. Góc bảo vệ của dây chống sét
Đối với đường dây tải điện:
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được tính theo theo công thức:
Trong đó:
hdd là chiều cao treo dây dẫn.
hcs là chiều cao treo dây chống sét.
bx là phạm vi bảo vệ một bên của dây thu sét.
Từ đó ta tính được góc bảo vệ giới hạn của dây thu sét:
Vậy khi góc bảo vệ α < αgh thì đường dây được bảo vệ hoàn toàn.
4.2.2.2. Số lần sét đánh vào đường dây
Hình 4.3 Góc bảo vệ của dây thu sét
Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đường dây đi qua, có thể tính số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm là:
(4.1) Trong đó: ms : mật độ sét vùng có đường dây đi qua, ms = 0,1÷ 0,15.
nng.s: số ngày sét trong một năm.
h: chiều cao trung bình của dây trên cùng (m).
L: chiều dài của đường dây (km).
Lấy L = 100km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây trong một năm.
(4.2)
Tuỳ theo vị trí sét đánh quá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị số khác nhau. Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét thành 3 khả năng:
- Sét đánh vào đỉnh cột và lân cận:
(4.3) - Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
(4.4) Với N: tổng số lần sét đánh vào đường dây.
: xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nó phụ thuộc vào góc bảo vệ α và được xác định theo công thức sau:
(4.5) Trong đó hc: chiều cao của cột (m).
α : góc bảo vệ (độ).
- Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt:
(4.6)
4.2.2.3. Số lần phóng điện khi sét đánh vào đường dây
Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đường dây (chuỗi sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét) có thể gây ra phóng điện. Khả năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện Vpđ. Như thế ứng với số lần sét đánh Ni thì số lần phóng điện sẽ là:
(4.7) Xác suất phóng điện Vpđ phụ thuộc trị số quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S) của đường dây.
Với : trị số điện áp giáng trên cách điện.
: mức cách điện xung kích của đường dây.
4.2.2.4. Số lần cắt điện khi sét đánh vào đường dây
Khi có phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu có xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện. Xác suất hình thành hồ quang η phụ thuộc vào cường độ điện trường phân bố dọc theo đường phóng điện. Có thể xác định ηtheo bảng sau:
Bảng 4.1. Bảng xác suất hình thành hồ quang η = f ( Elv) .
50 30 20 10
η 0,6 0,45 0,25 0,1
Với Elv: cường độ điện trường dọc theo đường phóng điện, (kV/m).
Ulv: điện áp pha làm việc (kV).
Lpđ: chiều dài đường phóng điện (chiều dài chuỗi sứ) (m).
Vậy ta có thể tính số lần cắt điện của đường dây tương ứng với số lần sét đánh Ni là:
(4.8)
Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây:
(4.9) 4.2.2.5. Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng
Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây cảm ứng gây phóng điện trên cách điện đường dây được tính như sau:
(4.10) Trong đó: ns: số ngày sét trong một năm.
h: độ treo cao trung bình của dây dẫn.
U50%: mức các điện xung kích của chuỗi sứ.
Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng:
Đường dây 110kV trở lên do mức cách điện cao (U50% lớn) nên suất cắt do quá điện áp cảm ứng có trị số bé và trong cách tính toán có thể bỏ qua thành phần này.