Bài giảng kỹ thuật điện cao áp chương 8 bảo vệ chống sét trạm biến áp

Nếu có các thiết bị bảo vệ như khe hở phóng thiết bị Nếu sét đánh vào phần làm việc của trạm cách ly với l có thể mô tả bằng một điện dung và quá điện áp có tri số bằng t Dạng quá đ

CHƯƠNG 8 BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP

8.1 Mở đấu

8.2 Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp theo s

8.3 Truyền sóng vào trạm qua đoạn cáp

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

Yêu cầu bảo vệ chống sét trạm biến áp

Nếu như sét đánh trực tiếp vào phần thiết bị của trạm

có thể truyền ra phía ngoài trạm và quá điện áp trên thanh cái

Trạm biến áp trung gian là trạm biến áp loại lớn

* Một trạm điển hình có diện tích khoảng 0,1km2

* Với mật độ sét là 4 lần trong 1 n ngày/năm, số lần trạm biến áp bị sét

u Quá điện áp có thể đạt giá trị 800 kV với dòng điện sét rất bé khoảng 2kA Sẽ xảy ra phóng Quá điện áp có thể đạt giá trị 800 kV với dòng điện sét rất bé khoảng 2kA Sẽ xảy ra phóng

cố trong trạm Nếu có các thiết bị bảo vệ như khe hở phóng

thiết bị

Nếu sét đánh vào phần làm việc của trạm cách ly với l

có thể mô tả bằng một điện dung và quá điện áp có tri số bằng

) t (

Dạng quá điện áp này đặc trưng bởi độ dốc và biên

gian phóng điện rất lớn nên cả chống sét van và khe hở không thể bảo vệ

ánh trực tiếp vào phần thiết bị của trạm được nối với nhiều đường dây bên ngoài : dòng điện sét

iện áp trên thanh cái được xác định

Trạm biến áp trung gian là trạm biến áp loại lớn

iển hình có diện tích khoảng 0,1km2

ộ sét là 4 lần trong 1 năm và trên km2 với cường độ hoạt động 10-30

m, số lần trạm biến áp bị sét đánh trung bình một lần trong 2 đến 5 năm

) t ( i n

Z )

t (

iện sét rất bé khoảng 2kA Sẽ xảy ra phóng điện và dẫn đến sự khe hở phóng điện hoặc chống sét van, chúng có thể bảo vệ các thiết bị đầu tiên trong trạm

ánh vào phần làm việc của trạm cách ly với lưới điện bên ngoài thì vào thời điểm này phần bị sét đánh

iện áp có tri số bằng

C

) t ( i





ộ dốc và biên độ khá lớn Trong trường hợp này khoảng khe hở khí có thời iện rất lớn nên cả chống sét van và khe hở không thể bảo vệ được các thiết bị

Phân tích trên đây cho thấy rằng việc bảo vệ tất cả các phần làm việc của trạm chống sét thể thiếu

Vấn đề bảo vệ chống sét đánh trực tiếp : các trạm biến áp lớn sét (treo phía trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái) hoặc các cột chống sét kiểu Franklin.

Nếu như sét đánh vào những phần không mang điện áp của trạm nh rất thấp thì sét không gây nguy hiểm cho trạm : Phóng

thực hiện nối đất tốt và có biện pháp tạo ra mạng lư Vấn đề ở đây là cần nghiên cứu bảo vệ chống sóng quá đánh có thể nằm khá xa trạm.

3/31/2014 Page 3

Khi sét đánh vào đường dây sẽ dẫn đến quá điện áp khí quyển lan truyền từ phía trạm biến áp nối với đường dây Trong quá trình truyền sóng nếu biên cách điện đường dây thì vẫn còn sóng quá cắt (do phóng

phía trạm.

Bảo vệ chống quá điện áp do sét đánh từ đường dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao vì trong trạm có những thiết bị quan trọng như MBA máy cắt điện Cách đ

đường dây Do đó những sóng xuất hiện bởi sét sẽ gây nguy hiểm

ây cho thấy rằng việc bảo vệ tất cả các phần làm việc của trạm chống sét đánh trực tiếp là không

: các trạm biến áp lớn được bảo vệ chống sét đánh thẳng bằng dây chống

ỡ dây, thanh cái) hoặc các cột chống sét kiểu Franklin.

iện áp của trạm như các xà, cột và nếu tổng trở nối đất của trạm rất thấp thì sét không gây nguy hiểm cho trạm : Phóng điện ngược trên cách điện không thể xảy ra nếu chúng ta

ưới nối đât.

ây là cần nghiên cứu bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm, đôi khi điểm bị sét

iện áp khí quyển lan truyền từ điểm sét đánh dọc theo đường dây về ờng dây Trong quá trình truyền sóng nếu biên độ sóng điện áp vẫn còn lớn hơn mức ờng dây thì vẫn còn sóng quá cắt (do phóng điện trên chuỗi cách điện đường dây) tiếp tục lan truyền về

ờng dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao vì trong trạm có những điện của các thiết bị này lại yếu hơn nhiều so với cách điện của

ó những sóng xuất hiện bởi sét sẽ gây nguy hiểm đối với thiết bị

Bảo vệ trạm chống sóng quá điện áp khí quyển

Bảo vệ chống quá điện áp do sét đánh từ đường dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao vì trong trạm có những thiết bị quan trọng như MBA máy cắt điện Cách

cách điện của đường dây

Chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là một số liệu quan trọng nó cho phép sóng quá điện áp của trạm Tuy nhiên việc tính toán khá phức tạp, khối l

truyền từ đường dây vào trạm rất khác nhau (phụ thuộc vào dòng

đó việc tính toán chống sóng truyền phải tính với nhiều tham số khác nhau và dựa vào nguy hiểm của sóng truyền vào trạm Với trị số tới hạn của tham số sóng sét, biết phân bố xác suất của chúng có thể tính được chỉ tiêu bảo vệ chống sét truyền vào trạm

thể tính được chỉ tiêu bảo vệ chống sét truyền vào trạm

Phương pháp bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là tìm cách "san bằng" quá đưa chúng về các trị số tương thích với mức chịu đựng của các thiết bị

xung kích BIL (Basic Impulse Level) của tất cả các thiết bị trong trạm không bị v Nguyên tắc bảo vệ là tạo ra một mạch điện tản dòng

thiết bị được dùng để bảo vệ chống sóng truyền là khe hở phóng

Việc sử dụng các chống sét van hoặc khe hở phóng thiết bị bảo vệ, đặc biệt là khoảng cách từ thiết bị bảo vệ

Từ đó đẫn đến khái niệm "khoảng cách bảo vệ"

quyển

ờng dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao vì trong trạm có iện Cách điện của các thiết bị này lại yếu hơn nhiều so với

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

iện áp của trạm Tuy nhiên việc tính toán khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn, do tham số của sóng ờng dây vào trạm rất khác nhau (phụ thuộc vào dòng điện sét, kết cấu đường dây, vị trí sét đánh) Do

ó việc tính toán chống sóng truyền phải tính với nhiều tham số khác nhau và dựa vào đó tìm ra tham số tới hạn nguy hiểm của sóng truyền vào trạm Với trị số tới hạn của tham số sóng sét, biết phân bố xác suất của chúng có

ợc chỉ tiêu bảo vệ chống sét truyền vào trạm

ng pháp bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là tìm cách "san bằng" quá điện áp truyền tới, với mục đích

ựng của các thiết bị điện : cần đảm bảo rằng mức cách điện xung kích BIL (Basic Impulse Level) của tất cả các thiết bị trong trạm không bị vượt quá (phối hợp cách điện)

iện tản dòng điện sét vào đất do phóng điện hoặc do dãn điện Hai laọi

ể bảo vệ chống sóng truyền là khe hở phóng điện và chống sét van

Việc sử dụng các chống sét van hoặc khe hở phóng điện chỉ có hiệu quả trong các trường hợp bố trí đúng

ặc biệt là khoảng cách từ thiết bị bảo vệ đến thiết bị cần bảo vệ và tình hình nối đất của trạm

bảo vệ đoạn đường dây dẫn ở đoạn gần tới trạm

Cũng cần lưu ý rằng chống sét van chỉ có thể thông thoát dòng huỷ Đặc tính này là nền tảng để phân loại các chống sét van, mà tham số chính là dòng dụng trong các thí nghiệm Thông thường dòng điện này có giá trị từ 5kA

Dòng điện qua chống sét van khi có sét đánh vào đường dây cách xa trạm (vài kilomét)

I   2 50

* Đối với đường dây

Nếu sét đánh vào gần trạm, do phản xạ nhiều lần từ đ

I 

Với chống sét van 110 kV, U bằng 36,5 Nếu nối đất có trị số 150kA, ta tính được phần dòng hơn nhiều khả năng chịu của chống sét van

trạm

u ý rằng chống sét van chỉ có thể thông thoát dòng điện có biên độ và độ dài nhất định không bị phá

ể phân loại các chống sét van, mà tham số chính là dòng điện phóng điện được sử

iện này có giá trị từ 5kA đến 10kA

ờng dây cách xa trạm (vài kilomét)

Zc là tổng trở xung kích của đường dây

ờng dây điện áp 110 kV: U 50% =650 kV, Z c =400, ta tính được I=3,25kA

điểm sét đánh, dòng điện qua chống sét van có trị số

* R là điện trở nối đất xung kích của cột

* Rcsvlà điện trở của chống sét van

csv

s

R R

R I



Với chống sét van 110 kV, U csv =365 kV, điện trở của chống sét van ở dòng điện 10kA

ất có trị số điện trở nối đất R=10 và dòng điện sét tính theo

ợc phần dòng điện qua chống sét van bằng 32,11kA Trị số này lớn

ng chịu của chống sét van

Để dòng điện qua chống sét van không vượt quá giới hạn cho phép thì trở nối tới trạm phải đạt trị số rất bé (trong ví dụ trên, R cần phải nhỏ h

Nếu không thực hiện được nối đất tốt như vậy thì cần phải loại trừ khả n đường dây dẫn ở đoạn gần tới tới trạm Với mục đích

bảo vệ bằng cách treo dây chống sét hoặc cột thu sét

Việc bảo vệ đoạn đường dây dẫn ở đoạn gần tới trạm việc bình thường của chống sét van mà còn có tác dụng giảm

ở trạm biến áp, chống sét van có thể được đặt ở thanh góp nên giữa nó tới thiết bị luôn có một khoảng cách nhất

ở trạm biến áp, chống sét van có thể được đặt ở thanh góp nên giữa nó tới thiết bị luôn có một khoảng cách nhất định Điện cảm của dây nối từ chống sét van đến thiết bị và

giao động L-C làm cho điện áp đặt trên thiết bị có thể v càng lớn khi chống sét van đặt càng xa thiết bị và sóng truyền vào trạm có chống sét van mà vẫn bảo vệ được toàn bộ các thiết bị trong trạm, phải hạn chế vào trạm sóng phải truyền qua một đoạn đường có chiều dài nhất

giẩm độ dốc của sóng

ợt quá giới hạn cho phép thì trở nối đất của mọi cột điện trong đoạn gần

ạt trị số rất bé (trong ví dụ trên, R cần phải nhỏ hơn 2,62)

cần phải loại trừ khả năng sét đánh trực tiếp vào đoạn ích đó, đoạn đường dây 1 đến 2 km dẫn đến trạm thường được

oạn gần tới trạm không chỉ có tác dụng đảm bảo điều kiện làm ờng của chống sét van mà còn có tác dụng giảm độ dốc của sóng truyền vào trạm

ặt ở thanh góp nên giữa nó tới thiết bị luôn có một khoảng cách nhất

ến thiết bị và điện dung của cách điện thiết bị sẽ hình thành mạch

ặt trên thiết bị có thể vượt quá trị số điện áp dư của chống sét van Độ chênh lệch

ặt càng xa thiết bị và sóng truyền vào trạm có độ dốc càng lớn Để có thể dùng số ít

ợc toàn bộ các thiết bị trong trạm, phải hạn chế độ dốc sóng bằng cách trước khi

ờng có chiều dài nhất định Vầng quang xuất hiện trên đoạn này sẽ làm

3/31/2014 Page 7

Umax=RIf<U50%

t

1

điện trên một hoặc nhiều chuỗi sứ, do

Nếu sét đánh vào dây chống sét hoặc sét đánh vào ngược sang dây dẫn, dạng sóng quá điện áp lặp lại dạng dòng

Cac tham số của sóng sét với các sau

tại điểm sét đánh, sóng dốc thẳng đứng

khi truyền sóng do vầng quang, độ dốc giảm còn

Trong tính toán thường sử dụng sóng xiên góc : hằng số ở phần đuôi sóng với T = Up/a là thời gian

iện áp xuất hiện trên dây dẫn bằng s s

, dạng sóng lặp lại dạng dòng điện (toàn

điện sét đủ lớn, điện áp Uc có thể vượt quá U50%, dẫn đến phóng iện trên một hoặc nhiều chuỗi sứ, do đó dạng sóng có dạng

iện trên một hoặc nhiều chuỗi sứ, do đó dạng sóng có dạng

ánh vào đỉnh cột và gây phóng điện iện áp lặp lại dạng dòng điện sét

Cac tham số của sóng sét với các sau

còn

l

U t

U a



% 50

ờng sử dụng sóng xiên góc : đầu sóng có độ dốc a= dU/dt không đổi và điện áp bằng

/a là thời gian đầu sóng điện áp tăng từ 0 đến Up

Khái niệm "khoảng cách bảo vệ"

sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây về phía trạm biến áp gồm một máy biến áp được bảo vệ bởi một chống sét van

dây nối đường dây - chống sét van, chống sét van

máy biến áp : ở tần số công nghiệp, tổng trở tới máy biến áp hầu như nó sẽ phản xạ toàn phần (

+ vận tốc truyền sóng : v.

+ khoảng cách chống sét van - máy biến áp : D + thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B : t

ờng dây về phía trạm biến áp gồm một máy biến áp

iện áp vượt quá ngưỡng Up, nó dẫn điện tức thì và

chống sét van, chống sét van - đất ngắn bằng không: ở tần số công nghiệp, tổng trở đầu vào lớn hơn Zc rất nhiều, và khi sóng điện áp

nó sẽ phản xạ toàn phần (điện áp tăng gấp hai lần tại điểm phản xạ)

t = D/v.

Quá điện áp lớn nhất trên máy biến áp

D r

U v

D r U

p

p p



2

2

1

2

Trường hợp

v

D r

CSV hạn chế điện áp ở mức 2Up.

Đầu sóng r chậm, khoảng cách D rất ngắn CSV có tác dụng hạn chế điện áp lớn nhất trên máy biến áp theo hiệu ứng khoảng cách D.

Khái niệm khoảng cách bảo vệ

p

Nằm giữa hai trường hợp

v

D a U

3 ,

v T a

v U

D  0 , 15 p.  0 , 15 iện áp xung kích lớn nhất có thể chấp nhận đối với máy biến áp được cố định bằng 1,3

dây nối của chống sét van với thiết bị và với đất;

oạn ttống trở và vận tốc truyền sóng iện dung trong đó có máy biến áp

Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp hợp 1 (đầu sóng chậm)

Sự phân bố theo thời gian của điện áp trên mạch bảo vệ bằng chống sét van

Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp

3/31/2014 Page 11

hợp 1 (đầu sóng chậm)

Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp hợp 2 (đầu sóng chậm)

Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường

Biểu đồ qúa điện áp lớn nhất trên máy biến áp (trường hợp )

3/31/2014 Page 13

Sự phân bố theo thời gian của điện áp trên mạch bảo vệ bằng chống sét van

hợp 2 (đầu sóng chậm)

áp (điểm B) theo hàm của T với t cho trước

iện áp trên mạch bảo vệ bằng chống sét van

sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây về phía TBA gồm một MBA được bảo vệ bởi một CSVkhe hở, MBA đặt trước CSV

Trường hợp thứ nhất : không xét ảnh hưởng của

Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp theo

Trường hợp thứ nhất : không xét ảnh hưởng của

Do điện áp trên chống sét van hầu như không đnhư một nguồn dòng với điện áp bằng điện áp d

ởng của điện dung C

theo sơ đồ đơn giản

ởng của điện dung C

đổi khi điện áp thay đổi khá lớn nên ta có thể coi nó iện áp dư

p CSV

2  

Chúng ta xếp chồng sóng phản xạ từ điểm B trở về lên sóng tới Up

 t  

a

Do đó điện áp lớn nhất trên cách điện của thiết bị cần bảo vệ có giá trị bằng

iểm A, nó chậm một khoảng thời gian 2 so với sóng tới Up, khoảng thời gian này

Như vậy điện áp lớn nhất trên cách điện tại điểm A v

a

2  

f p

t

tỉ lệ với độ dốc a và khoảng cách van với

t

Trong trường hợp với

Trong trường hợp ngược lại với 2   tp 

ta có :

2

max max

Ua U

Ui  p 

Trường hợp này rõ ràng không thể mức cách điện của trạm, chống sét van không có khả n

sóng quá điện áp lan truyền tới

iểm A vượt quá điện áp trên CSV một lượng

ờng hợp này rõ ràng không thể được sử dụng vì sóng quá điện áp lớn hơn

iện của trạm, chống sét van không có khả năng bảo vệ thiết bị chống

iện áp lan truyền tới

Khi sóng lan truyền qua điện dung C, độ dốc của sóng giảm

sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây về phía

TBA gồm một MBA được bảo vệ bởi một CSV có khe hở,

CSV đặt trước MBA

Trường hợp thứ nhất : không xét ảnh hưởng của

Trong trtrên chống sét van có phần phức tạp h

Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp

trên chống sét van có phần phức tạp hxét phản xạ nhiều lần của sóng tới trên

Với C=0 (lại biên tại

thị

Do tính chất phi tuyến của CSV, điện áp trên các đ

điện sét đi qua Có thể coi nó như một nguồn áp không

bảo vệ có dạng giao động quanh điện áp dư của CSV

Chu kỳ giao động được xác định bằng cách tương tự nh

ờng dây về phía

có khe hở,

ởng của điện dung C

Trong trường hợp này, tính toán điện áp trên máy biến áp và trên chống sét van có phần phức tạp hơn bởi vì chúng ta cần

áp theo sơ đồ đơn giản

trên chống sét van có phần phức tạp hơn bởi vì chúng ta cần xét phản xạ nhiều lần của sóng tới trên đoạn AB

Với C=0 (đường dây hở mạch), tại điểm B sóng phản xạ lặp lại biên độ và dạng sóng tới (phản xạ dương toàn phần) và tại điểm A sóng phản xạ có tể xác định theo phương pháp đồ thị

đầu kẹp của nó vẫn hầu như giữ nguyên khi có dòng một nguồn áp không đổi Dạng điện áp trên cách điện cuả thiết bị cần

của CSV

ng tự như khi cuối đường dây hở

v

l 4 4