Bài giảng kỹ thuật điện cao áp chương 7 bảo vệ chống sét đường

Các đường dây điện áp thấp h YÊU CẦU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ờng dây trên không chiều dài rất lớn, đi qua nhiều vùng, ối cao, sự cố trong hệ thống điện do sét gây nên chủ yế

CHƯƠNG 7 BẢO VỆ CHỐNG SÉT

7.1.Yêu cầu bảo vệ chống sét 7.2.Quá điện áp cảm ứng

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

7.2.Quá điện áp cảm ứng 7.3.Sét đánh vào dây dẫn 7.4 Sét đánh vào cột điện hoặc vào dây chống sét 7.5.Phương tiện bảo vệ chống sét

YÊU CẦU BẢO VỆ CHỐNG SÉT

Các đường dây tải điện, phần lớn là các đường dây trên không (chiều dài rất lớn, xác suất bị sét đánh tương đối cao, sự cố trong hệ thống

đường dây.

Khi sét đánh vào các đường dây tải điện nó có thể gây phóng

thể gây ra sự cố ngắn mạch làm nhảy máy cắt dẫn nghiêm trọng

Sóng quá điện áp khí quyển xuất hiện khi sét

Sóng quá điện áp khí quyển xuất hiện khi sét quang thường bị biến dạng (tổn hao do ion hoá không khí xung quanh) Vì thế có thể nói nếu sét vào đường dây cách xa trạm do suy giảm sóng nên không gây nguy hiểm cho trạm

Quá điện áp khí quyển có thể xuất hiện do sét lân cận đường dây Trường hợp sét đánh trực tiếp luôn luôn là mối nguy hiểm bởi chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, đư

đường dây cao áp Các đường dây điện áp thấp h

YÊU CẦU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

ờng dây trên không (chiều dài rất lớn, đi qua nhiều vùng),

ối cao, sự cố trong hệ thống điện do sét gây nên chủ yếu là xảy ra trên

iện nó có thể gây phóng điện trên cách điện đường dây, cũng có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm nhảy máy cắt dẫn đến ngừng cung cấp điện và có thể gây ra tổn thất

iện áp khí quyển xuất hiện khi sét đánh lan truyền về phía trạm biến áp, do hiệu ứng vầng ờng bị biến dạng (tổn hao do ion hoá không khí xung quanh) Vì thế có thể nói nếu sét đánh ờng dây cách xa trạm do suy giảm sóng nên không gây nguy hiểm cho trạm

iện áp khí quyển có thể xuất hiện do sét đánh trực tiếp hoặc do sét đánh gián tiếp vào khu vực

ánh trực tiếp luôn luôn là mối nguy hiểm bởi đường dây phải hứng

được chọn để tính toán bảo vệ đường dây, đặc biệt là các iện áp thấp hơn cần quan tâm cả đến quá điện áp cảm ứng

Vì vậy đường dây cần phải bảo vệ chống sét với mức

bảo vệ trạm biến áp, đặc biệt những đoạn đường dây gần trạm

Để giảm bớt sự cố do sét gây ra, người ta dùng các biện pháp chống sét trên

- đa phần những lần sét đánh lên đường dây đư

- chỉ có một số rất ít trường hợp (dòng điện sét quá lớn, sét

điện

- có thể tăng cường cách điện đường dây hoặc giảm trị số

Bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối th

- Tăng cường về cách điện đường dây, hoặc dùng các thiết bị bảo vệ chống sét phức tạp,

- Do đó, phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức

phát từ chỉ tiêu kinh tế, (một mặt làm cho số lần cắt

nhất, mặt khác đảm bảo tính chất kinh tế của biện pháp chống sét)

- Điều này có nghĩa là phải tìm ra được phương thức bảo vệ

là bé nhất

ờng dây cần phải bảo vệ chống sét với mức độ an toàn cao và cần phải xem xét cả đến việc

ờng dây gần trạm

ời ta dùng các biện pháp chống sét trên đường dây

được đưa xuống đất một cách an toàn

iện sét quá lớn, sét đánh vòng qua dây chống sét) gây phóng ờng dây hoặc giảm trị số điện trở nối đất của bộ phận chống sét

ối thường không thể thực hiện được (vốn đầu tư quá lớn)

ờng dây, hoặc dùng các thiết bị bảo vệ chống sét phức tạp, đắt tiền

ắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét của đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế, (một mặt làm cho số lần cắt điện đường dây do sét gây ra giảm đến mức thấp

ảm bảo tính chất kinh tế của biện pháp chống sét)

ng thức bảo vệ đường dây sao cho tổn hại do sét gây ra

Tuy nhiên, việc đưa ra một chỉ tiêu kinh tế cho bảo vệ chống sét

- Trước hết bài toán phụ thuộc quá nhiều yếu tố về kết cấu và yêu cầu cung cấp

như về các thiết bị bảo vệ chống sét của trạm, việc tính toán khá phức tạp và không thể

tiêu chung

- Không có đủ số liệu về độ tin cậy, chỉ tiêu kinh tế cung cấp

thất của phụ tải

- Do đó trong tính toán của bảo vệ chống sét cho

100 giờ sét) cho chiều dài 100 km đường dây

Các số liệu này sử dụng để so sánh với chỉ tiêu chống sét của

mức chịu sét hợp lý).

Khi so sánh nếu thấy chỉ tiêu bảo vệ chống sét của

dây điển hình trên thì phải tăng cường khả năng chịu sét của

sét, giảm góc bảo vệ hay giảm điện trở nối đất của cột

a ra một chỉ tiêu kinh tế cho bảo vệ chống sét đường dây là một vấn đề phức tạp

ớc hết bài toán phụ thuộc quá nhiều yếu tố về kết cấu và yêu cầu cung cấp điện của lưới cũng

về các thiết bị bảo vệ chống sét của trạm, việc tính toán khá phức tạp và không thể đưa ra một chỉ

ộ tin cậy, chỉ tiêu kinh tế cung cấp điện hoặc ảnh hưởng độ tin cậy đến tổ

ó trong tính toán của bảo vệ chống sét cho đường dây ta tính cho một năm sét (khoảng 75 đến

ể so sánh với chỉ tiêu chống sét của đường dây điển hình (đường dây có

Khi so sánh nếu thấy chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây thiết kế kém hơn nhiều so với đường

ng chịu sét của đường dây bằng cách: đặt thêm dây chống

ất của cột

Số lần sét đánh vào đường dây

Mô hình cổ điển : Đường dây thu hút tất cả các phóng chiều rông 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây

100 70 30

N N

ờng dây thu hút tất cả các phóng điện sét xuất hiện trên diện tích một dải đất có

ờng dây

Ns =0,10,15 : mật độ sét (lần/km2/ngày giông sét)

h : chiều cao của dây dẫn tính (m)

L : chiều dài đường dây tính (km)

l : bề rộng đường dây, (m);

h : chiều cao của dây dẫn tính bằng (m).

a : hệ số tính ảnh hưởng của cột và dây chống sét

Số lần sét đánh vào đường dây gây phóng đ

Các tham số phóng điện sét (biên độ dòng điện sét If và mang tính thống kê

Trong số các lần sét đánh, chỉ những cú sét mà biên

có thể gây ra phóng điện ngược

Khả năng này được biểu thị bởi xác suất phóng

Tuy vây Na không phải là số lần sự cố cắt điện do sét gây nên bởi vì thời gian phóng thường nhỏ hơn rất nhiếu so với thời gian tác

N

thường nhỏ hơn rất nhiếu so với thời gian tác

Chỉ có những lần phóng điện mà hồ quangmạng mới có khả năng dẫn đến cắt điện

Xác suất hình thành hồ quang () phụ thuộctrường dọc theo bề mặt cách điện có ý nghĩa

E=U/l (kV/m)



điện iện sét If và độ dốc a=di/dt) có giá trị rất khác nhau và

ánh, chỉ những cú sét mà biên độ quá điện áp vượt quá mức cách điện xung kích

ợc biểu thị bởi xác suất phóng điện (a), số lần phóng điện bằng

iện do sét gây nên bởi vì thời gian phóng điện sét thông

n rất nhiếu so với thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ rơ le

L a

N 

n rất nhiếu so với thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ rơ le

điện trở thành oỏn định và được duy trì bởi điện áp

thuộc vào nhiều yếu tố trong đó gradient điệnquan trọng hơn cả

Cuối cùng ta tính được số lần sự cố do sét

Để so sánh khả năng chống sét của đường dây,

điện do sét trong một năm và trên 100km đường

Nếu sét đánh vào một vùng gần đường dây, liên hệ pha :

 x t 

Thành phần từ của Ucu(x,t) điện áp cảm

(x,t) - thế vô hướng của thế tại điểm nào uđ(x,t) - điện áp sinh ra do điện tích của dây dẫn d bên ngoài.

Thành phần điện của điện áp cảm ứng

sứ chyển động này chỉ có liên quan đến thành phần tr (thành phần Exd) vả được xác định bởi phươ

ờng dây, liên hệ điện từ gây nên quá điện áp cảm ứng trên các dây

ucu d    d

iểm nào đó trên dây dẫn và tại thời điểm t

iện tích của dây dẫn dưới tác dụng của điện trường

ến thành phần trường có phưởng trùng với trục của đường dây

ương trình điện tín ở vế phải :

2 2 2

2

1

dx

dE dt

u d c dx

ộ treo cao trung bình của dây dân (m) ; khoảng cách từ đường dây tới nơi bị sét đảnh (m) ;

hệ số phụ thuộc vào tốc độ của phóng điện ngược

z

Đường cong biến thiên của điện áp cảm ứng Ucư

sau, ở đấy có vẽ riêng các thành phần điện và từ Khi tốc

tăng do tốc độ biến thiên của từ trường lớn Nhưng thành phần

số dòng điện sét Is = ơv giữ không đổi, nếu tăng tốc

giảm điện trường

Đa số các phóng điện ngược đều có tốc độ khoảng 0,1-:0,2 tốc độ ảnh sáng (=0,1- 0,2) nên hệ số Ko có thể chọn bằng 0, 5 và 0,2) nên hệ số Ko có thể chọn bằng 0, 5 và trị số Ucư a được tinh theo

b

h I

U cumax  30 s

Các công thức trên chl đủng với trường hợp đơ Nếu là dạng sỏng xiên gỏc thi tốc độ biến thiên của giảm thấp Tuy nhiên sự giảm tháp này chl đảng kể khi sét dành gần tức là khi b < v.

ư(0, t) tại điểm gần nơi sêt đảnh được biểu thị trên hình iện và từ Khi tốc độ phóng điện ngược tăng thì thánh phần từ

ng thành phần điện thì ngược lại có giảm chút ít vì trị

ng tốc độ phóng điện ngược sẽ làm giảm mật độ và làm

đơn giản là khi dông điện sét có dạng sóng vuông góc

ộ biến thiên của điện từ trường sê bé hơn và trị số điện áp cảm ứng

ảng kể khi sét dành gần tức là khi b < v.đs.

xác suất xuất hiện quả điện áp với một biên độ nào

Số lằn cỏ sét đánh vào giải đất đặt cách đường dây khoảng cảch db, cỏ chlều rộng b và chiều 100km,

dN  0 , 1  0 , 15 103 100

Để trị số điện áp cảm ứng bằng hoặc vượt quá mức cách

biên độ (điều kiện để có phóng điện trên cách điện của

ộ nào đấy ví dụ bằng hoặc lớn hơn mức cách đíện

ờng dây khoảng cảch db, cỏ chlều rộng b và chiều đài

n 0 , 01 0 , 015

ợt quá mức cách điện đường dây U50%, dòng điện sét phải có

iện của đường dây)

h

b U

30

% 50

ộ nào đấy ví dụ bằng hoặc lớn hơn mức cách đíện iện có trị số bằng

h

b U I

e e

s

780 1

, 26

% 50

db 780

% 50.

015 , 0 01 ,



lấy tinh phân đẳng thức trên từ giới hạn bmin = 3h tới

hút về phía mình tất cả các phỏng điện sét trong giải

giải này sẽ xem như đảnh xuống đất và gây nên quá



min min

015,001,022

b b

đất và đối với các loại đường dây này biện pháp chống quá

ẳng thức trên từ giới hạn bmin = 3h tới  và cho cả hai phía đường dày (Đường dây thu

iện sét trong giải đất rộng 6h, bmin = 3h còn khi sét đánh ở ngoải

ất và gây nên quá điện áp cảm ứng)

% 50

780

% 50

%

.015

U ngs

pd h

b U

U

h

n N

e n

ộ treo cao trung bình h = 10 m và nằm trong vùng sét hoạt ộng mạnh có nngs=100 ngày, số lần xuất hiện quá điện cảm ứng cô trị số vượl quá mức cách diện xung

ờng dây 35kV (U50% = 350 kV) là 10 - 15 lần ờng dáy 110 kV (có U50% - 700kV) - khoảng l, 5 lần/năm

ờng dáy 110kV trở lên trong tinh toán chống sét có thể không xét đến quá điện áp

iện do nó gáy nên rất nhỏ so với khi có sét đảnh trong lên đường dây

ờng dây điện áp càng bé thi trị số Npđ càng lớn do đó cần iện áp cảm ứng trong tinh toán cữllg như trong vận hành

ồng thời ở cả ba pha và trị sồ giữa các pha không chênh lệch

ối với cách điện giữa các pha mà là cách điện giữa pha đối với ờng dây này biện pháp chống quá điện áp cảm ứng hợp là là dùng cột gỗ

Nếu đường dây không treo dây chống sét, thì sét sẽ Quá điện áp do sét đánh vào dây dẫn

Kênh sét được xem như nguồn dòng có tổng trở bên trong rất lớn phát ra dòng Kênh sét được xem như nguồn dòng có tổng trở bên trong rất lớn phát ra dòng Dòng điện này sẽ chia theo hai từ điểm sét đánh và lan truyền dọc theo dây dẫn có tổng trở Z nằm trong khoảng

300 et 500 .

khi sét đánh vào dây dẫn có thể xem tại điểm sét đánh, kênh sét (tổng trở của kênh sét Z0) được ghép nối tiếp với tổng trở xung kích Zc của dây dẫn Sơ đồ thay thế dòng điện sét

Do tổng trở xung kích Zc300500, dòng điện sét sẽ giảm rất đất nhỏ Dòng điện sét tại điểm sét đánh có giá trị bằng

. 0

s

Z I

I 

ờng dây không treo dây chống sét, thì sét sẽ đánh chủ yếu vào dây dẫn

nguồn dòng có tổng trở bên trong rất lớn phát ra dòng điện sét i(t) tại điểm sét đánh

ánh và lan truyền dọc theo dây dẫn có tổng trở Z nằm trong khoảng

Dòng điện sét Is/2 sẽ phân tán tại điểm sét đánh về hai phía khác nhau và lan truyền dọc theo dây dẫn Như vậy mỗi phía dòng điện sẽ có giá trị Is/4

Dòng điện này gây nên sụt áp trên dây dẫn

Tại một điểm cho trước trên dây dẫn, điện áp sẽ t cách điện đường dây (phóng điện bề mặt trên chuỗi cách Với trường hợp cột điện kim loại, phóng điện bề mặt chuỗi sứ xảy ra khi

I

% 50

I

c bv

Mỗi loại cột có khoảng cách cách điện giữa dây pha điện áp, sóng dòng điện sẽ có ngưỡng mà nếu nhỏ h

I c , kA 5,5

Với các đường dây điện áp đến 20 kV, dòng điện tới hạn Ic có giá trị rất bé,

Dòng điện tới hạn bằng : Ic = 4 U50% / Zc

Với các đường dây điện áp đến 20 kV, dòng điện tới hạn Ic có giá trị rất bé, một cách rất hệ thống khi có sét đánh, còn đối với đư

cắt phụ thuộc vào chế độ điểm trung tính và tuỳ thuộc

tự động đóng lại hay không

iện giữa dây pha đến các kết cấu sắt của cột, do vậy đối với mỗi cấp ỡng mà nếu nhỏ hơn giá trị này sẽ không xảy ra phóng điện

iện tới hạn Ic có giá trị rất bé, điều đó có nghĩa là phóng điện xảy ra

đường dây điện áp dưới 400 kV, phần lớn các cú sét đánh vào

Is Is

ánh vào các dây treo cao nhất và phóng điện thường xảy ra trên dây dẫn pha này

ợng chạm đất một pha Như vậy sự cố mất điện do nhảy máy iểm trung tính và tuỳ thuộc đường dây có được trang bị các thiết bị bảo vệ

 Khi có ngắn mạch một pha chạm đất, máy cắt bảo vệ

do sét gây ra (số lần sự cố) được tính theo các công thức trên.

Lưới điện trung tính nối đất trực tiếp (đường

- Chiều cao của chuỗi sứ: 1,2m.

 loại cột :

 mức sét Nk : 100 ngày/năm

áp dụng số : Ibv = 6,5 kA, va=0,8;

Eser = 53 kV/ m;

=0,6

ất, máy cắt bảo vệ đường dây trong vùng sự cố sẽ nhảy và số lần cắt điện

ợc tính theo các công thức trên.

ờng dây cao áp từ 110 kV trở lên)

0 , 06  0 , 09 10 100 0 , 8 0 , 6  28 , 8  43 , 2 lÇn/100km n¨m 



ờng dây cao áp bắt buộc phải bảo vệ bằng treo dây chống sét trên

toàn tuyến.

Chạm đất một pha xảy ra khi có phóng điện chuỗi sứ trong mạng trung tính cách điện nói chung chưa thể gây ra nhảy máy cắt (cắt

này chỉ xảy ra nếu đồng thời xảy ra phóng điện trên hai hoặc 3 pha

Lưới điện trung tính cách điện (đường dây đ

 Dòng điện sét tại điểm sét đánh có giá trị If (chứ không phải If/ 2) Điện áp xuất hiện

trên điện trở nối đất R bằng IfR, còn trên các pha khác cũng xuất hiện kcIfR (kc là hệ số ngẫu hợp giữa các dây pha).

 Trường hợp sét đánh vào dây dẫn gần cột điện là nguy hiểm nhất

 Như vậy trên cách điện của pha bên cạnh điện áp tác dụng sẽ là

Phóng điện pha này xảy ra nếu như :

iện chuỗi sứ trong mạng trung

a thể gây ra nhảy máy cắt (cắt điện) Điều

iện trên hai hoặc 3 pha.

ánh có giá trị If (chứ không phải If/ 2) Điện áp xuất hiện

ất R bằng IfR, còn trên các pha khác cũng xuất hiện điện áp bằng

U I

I U

R I k

c bv

s s

.

iện là nguy hiểm nhất

iện áp tác dụng sẽ là : (1-kc).IfR.

 cột sắt : h=10 m, R = 10

 cách điện :

 điện áp phóng điện U50% : 350 kV,

 Chiều cao của chuỗi sứ: 1,2m.

06,0

Ibv = 50 kA, va=0,15;

áp dụng số ta có Ibv = 50 kA, va=0,15; =0,52;



lÇn/100km/n¨m 

02,7

52,0.15,0.100.10.09,006

Dây chống sét không có khả năng bảo vệ dây dẫn tránh sét một cách tuyệt vòng qua dây dẫn vào dây chống sét

Số lần sét đánh vào dây dẫn phụ thuộc vào góc bảo vệ

Đường dây không treo dây chống sét thì có thể coi là sét trường hợp cần thiết người ta cần bảo vệ đường dây bằng treo dây chống sét

đánh vào dây dẫn hoặc vào cột điện thay vì đánh vào dây dẫn

Xác suất này được xác định bằng công thức kinh nghiệm sau

Số lần sét đánh vào dây dẫn phụ thuộc vào góc bảo vệ

ng bảo vệ dây dẫn tránh sét một cách tuyệt đối, nghĩa là vẫn có một số cú sét đánh

ánh vào dây dẫn phụ thuộc vào góc bảo vệ  xác định bởi :

ờng dây không treo dây chống sét thì có thể coi là sét đánh vào dây dẫn như chắc chắn vì vậy trong các

ờng dây bằng treo dây chống sét Khi đó thì phần lớn các cú sét sẽ ánh vào dây dẫn