Hoặc nếu sét đánhgần công trình thì làm cho các điện tích trên đó mất đi không kịp với điện tích đámmây, mà còn tồn tại thêm một thơi gian nữa, gây nên điện thế cao so với mặt đất.Điện t
Khái quát cơ bản về hiện tượng dông sét
Dông sét là hiện tượng thời tiết kỳ bí và nguy hiểm, thường đi kèm với sấm chớp Cơn dông hình thành từ khối không khí nóng ẩm chuyển động thẳng, kéo dài từ 30 phút đến 12 tiếng và có thể trải rộng hàng trăm kilômet Nó được ví như một nhà máy phát điện nhỏ với công suất hàng trăm MW, điện thế đạt 1 tỷ V và dòng điện từ 10-200 kA Sét được sinh ra do sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất, với mỗi tia sét có thể thắp sáng bóng đèn 100 W trong ba tháng Trên trái đất, ước tính có khoảng 100 cú phóng điện xảy ra mỗi giây, với công suất có thể đạt hàng tỷ kW và làm nóng không khí lên đến 28000 độ C, gấp ba lần nhiệt độ bề mặt mặt trời.
Các đám mây dông tích điện hình thành do sự cọ xát giữa các hạt nước và hạt băng Qua quá trình đối lưu, điện tích dương tập trung ở đỉnh mây, trong khi điện tích âm dồn xuống phía dưới Thực nghiệm cho thấy, mây dông thường có cấu trúc với vùng điện tích âm ở độ cao 6 km, vùng điện tích dương ở độ cao 8-12 km, và một khối điện tích dương nhỏ ở chân mây Khi các vùng điện tích đạt đủ sức mạnh, hiện tượng phóng điện sét sẽ xảy ra.
Sét có thể gây hại cho con người và thiết bị khi đánh xuống đất, được chia thành hai loại: sét âm và sét dương Sét âm chiếm 90% và thường xuất hiện từ phần dưới của đám mây, trong khi sét dương xuất hiện từ đỉnh đám mây Loại sét dương này rất nguy hiểm vì nó có thể xảy ra bất ngờ trong điều kiện thời tiết quang đãng, trước khi có mưa.
Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á, là một trong ba khu vực trên thế giới có hoạt động dông sét mạnh mẽ Mùa dông tại Việt Nam kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, với khoảng 100 ngày dông và 250 giờ dông trung bình mỗi năm Hàng năm, Việt Nam ghi nhận khoảng hai triệu cú sét đánh xuống đất.
Việc phòng chống sét đánh vào các công trình, đặc biệt là hệ thống điện, là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp điện cho nền kinh tế quốc dân.
Ảnh hưởng, tác hại của dông sét
Sét là nguyên nhân gây thương tích cho con người qua nhiều cách, trong đó có việc đánh trực tiếp vào nạn nhân.
- Sét đánh vào vật gần nạn nhân, các tia lửa điện sinh ra phóng qua không khí vào nạn nhân (còn gọi là sét đánh tạt ngang).
- Sét đánh xuống mặt đất và lan truyền ra xung quanh.
Sét có thể lan truyền qua đường dây điện và đường dây điện thoại, gây ra những tác hại nghiêm trọng cho các công trình và thiết bị Những tác hại này bao gồm việc bị đánh trực tiếp, cũng như ảnh hưởng từ cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.
Sét đánh trực tiếp gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng, thường xảy ra khi điện tích phóng xuống các đối tượng cao như cột điện, nhà cao tầng hay cột thu phát sóng viễn thông Tuy nhiên, sét cũng có thể đánh vào những nơi thấp nếu chúng dẫn điện tốt hơn Khi bị sét đánh, không khí xung quanh bị nung nóng đến mức có thể làm chảy các tấm sắt dày 4mm, gây nguy hiểm đặc biệt cho các công trình chứa vật liệu dễ cháy nổ như kho mìn hay bể xăng dầu Một số trường hợp sét còn có thể phá vỡ ống khói bằng gạch với chiều dài lên tới 30-40 m, và các mảnh vỡ có thể văng xa đến 200 m.
Tác hại gián tiếp của sét gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ.
Cảm ứng tĩnh điện xảy ra khi các công trình trên mặt đất không được nối đất tốt, dẫn đến việc phần trên của công trình tích tụ điện tích trái dấu với các đám mây dông mang điện tích Khi sét đánh gần, điện tích trên công trình có thể mất đi không kịp, tạo ra điện thế cao so với mặt đất Điện thế này có thể xâm nhập vào nhà qua dây điện, dây mạng, hoặc ống kim loại, gây ra tia lửa điện, dẫn đến nguy cơ cháy nổ hoặc tai nạn cho con người.
Khi sét đánh vào các dây dẫn, nó tạo ra một từ trường biến đổi mạnh xung quanh, dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động cảm ứng trong các mạch vòng kín Hiện tượng này có thể gây ra phóng điện thành tia lửa, rất nguy hiểm cho công trình và con người.
Hệ thống điện rất dễ bị ảnh hưởng bởi dông sét, đặc biệt là các đường dây tải điện trên không có chiều dài lớn và đi qua nhiều vùng khác nhau, làm tăng xác suất bị sét đánh Khi sét đánh vào đường dây, có thể gây phóng điện trên cách điện, dẫn đến sự cố cắt điện Ngay cả khi chỉ một điểm trên đường dây dài bị sét đánh, cũng có thể gây ra sự cố ngắn mạch, làm máy cắt tác động và ngừng cung cấp điện, gây tổn thất nghiêm trọng Do đó, các sự cố trong hệ thống điện do sét chủ yếu xảy ra trên các đường dây tải điện.
Sét đánh vào đường dây gây ra sóng quá điện áp lan truyền về phía trạm biến áp, thường bị biến dạng do hiệu ứng vầng quang Quá điện áp khí quyển xuất hiện từ sét đánh trực tiếp hoặc gần đường dây, trong đó sét đánh trực tiếp là mối nguy hiểm lớn nhất vì đường dây phải chịu toàn bộ năng lượng phóng điện Nếu sét đánh vào phần dẫn điện của trạm biến áp kết nối với nhiều đường dây bên ngoài, dòng điện sét có thể truyền ra ngoài trạm, dẫn đến quá điện áp trên thanh cái.
Trong đó: Zc – tổng trở xung kích của đường dây (cỡ 400Ω); n – số đường dây được nối với phần bị sét đánh.
Trường hợp quá điện áp xảy ra khi n = 1, có thể đạt đến 800kV với dòng điện sét nhỏ khoảng 2 kA Điện áp này có khả năng gây phóng điện và dẫn đến sự cố trong trạm Việc sử dụng khe hở phóng điện hoặc chống sét van có thể bảo vệ các thiết bị quan trọng trong trạm.
Nếu sét đánh vào khu vực làm việc của trạm cách ly với lưới điện bên ngoài, phần bị sét đánh có thể được mô tả bằng một điện dung và quá điện áp có trị số cụ thể.
Dạng quá điện áp này đặc trưng bởi độ dốc và biên độ lớn, cùng với khoảng khe hở khí có thời gian phóng điện kéo dài, dẫn đến việc cả chống sét van và khe hở đều không thể bảo vệ hiệu quả cho các thiết bị.
Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện và trạm biến áp là rất quan trọng và không thể thiếu.
Các phương pháp phòng chống sét
Trong 250 năm qua, kể từ khi Franklin đề xuất phương pháp chống sét, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng trong lĩnh vực phòng chống sét trên toàn thế giới Dưới đây là một số phương pháp tiêu biểu.
Phương pháp dùng lồng Faraday:
Dựa vào tính chất của vật dẫn, điện trường trong lòng vật dẫn luôn bằng 0 khi ở trạng thái cân bằng tĩnh điện, do đó, khi đặt vật cần bảo vệ bên trong một lòng kim loại dẫn điện, nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi điện trường bên ngoài Đây là nguyên lý hoạt động của lồng Faraday, một phương pháp lý tưởng để phòng chống sét Tuy nhiên, do tốn kém và không khả thi trong thực tế cho tất cả các công trình, phương pháp này chỉ được sử dụng để bảo vệ một số trường hợp nhất định.
Phương pháp chống sét bằng cột thu sét truyền thống
Cột thu sét, được phát minh bởi Benjamin Franklin vào năm 1752, sử dụng một cây thép cao 40 foot để thu hút tia lửa điện từ đám mây Sau hơn 250 năm, nguyên lý này vẫn được áp dụng rộng rãi, chứng tỏ hiệu quả trong việc bảo vệ.
Về nguyên tác, cột thu sét là 1 dụng cụ đơn giản gồm 3 bộ phận chính:
- Kim thu sét: là 1 que kim loại nhọn gắn trên đỉnh của công trình cần bảo vệ. Thường có đường kính khoảng 2 cm.
- Hệ thống dây dẫn xuống đất.
- Hệ thống tiếp địa: là 1 hay nhiều thanh sắt (thép) dẫn điện tốt được đóng chặt xuống đất có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào trong đất.
Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng:
- Hệ gắn thẳng (dùng kim thu sét).
- Hệ dạng lưới bao quanh hay nằm trên đối tượng cần được bảo vệ (lưới thu sét).
Phương pháp thu sét giúp dẫn hướng phóng điện sét đến các điểm đã được thiết lập trên mặt đất, từ đó tản dòng điện sét vào đất và ngăn chặn sét đánh trực tiếp vào công trình Hệ thống thu sét hoạt động hiệu quả nhờ vào việc điện tích tập trung tại đỉnh của các thiết bị thu sét, tạo ra một điện trường mạnh mẽ mở đường cho tia tiên đạo Khi tia tiên đạo phát triển từ hệ thống thu sét, điện trường càng được tăng cường, dẫn đến việc sét bị thu hút về các cột thu lôi và dây chống sét Các công trình thấp hơn gần hệ thống thu sét sẽ được bảo vệ tốt hơn, giảm thiểu nguy cơ bị sét đánh.
Hệ thống Franklin không đảm bảo hiệu quả chống sét 100% Mặc dù kim thu sét thường bị sét đánh và phương pháp này có hiệu quả tương đối tốt, nhưng nhiều thực nghiệm cho thấy sét vẫn có thể bỏ qua kim thu sét và đánh trực tiếp vào công trình, ngay cả khi kim thu sét được đặt ở độ cao lớn.
Cột thu sét Franklin đã được cải tiến với tia tiên đạo để nâng cao hiệu suất so với các cột thu sét truyền thống, khắc phục nhược điểm về tính thụ động trong việc thu sét.
Đầu thu là một thiết bị cố định, có chức năng thu sét và bảo vệ đầu phát xạ ion bên trong Nó được thiết kế để tạo ra dòng không khí chuyển động qua đầu phát ion, giúp phát tán các ion vào không gian xung quanh, từ đó tạo ra môi trường thuận lợi cho sự kích hoạt sớm hiện tượng phóng điện (Corona).
Thân kim được chế tạo từ đồng đã qua xử lý hoặc inox, với một hoặc nhiều đầu nhọn ở phía trên để phát xạ ion Các đầu nhọn này được kết nối với bộ phát xạ ion thông qua dây dẫn được luồn bên trong ống cách điện.
Bộ kích thích phát xạ ion được chế tạo từ vật liệu ceramic và được lắp đặt phía dưới thân kim trong buồng cách điện Nó được kết nối với các đầu phát xạ thông qua dây dẫn chịu điện áp cao Khi có dông sét, bộ phận này sẽ phát ra các điện tích dưới tác dụng của lực.
Nguyên lý hoạt động của kim thu sét dựa trên sự dao động nhỏ của nó so với cột đỡ, kết hợp với áp lực được tạo ra trong bộ kích thích Sự dao động này tạo ra điện thế cao tại các đầu nhọn, dẫn đến sự phát xạ một lượng lớn ion xung quanh kim thu sét Những ion này ion hóa không khí xung quanh và phía trên đầu thu, từ đó kích thích sự phóng điện vào kim thu sét, giúp giảm thiểu nguy cơ sét đánh vào các công trình bên dưới.
Vậy hệ Franklin phát tia tiên đạo chủ động hơn hệ truyền thống.
Phương pháp không truyền thống:
Một số hệ chống sét khác với dang Franklin nổi lên trong hàng trục năm gần đây Đáng chú ý là:
- Hệ ngăn chặn sét (Hệ tiêu tán năng lượng sét).
Những người bảo vệ hệ thống kim thu sét phát xạ sớm cho rằng phương pháp này phóng tia tiên đạo sớm hơn so với hệ Franklin Một số dụng cụ như nguồn phóng xạ và kích thích điện của kim được sử dụng để gây phát xạ sớm Tuy nhiên, vào năm 1999, 17 nhà khoa học thuộc hội đồng khoa học ICLP (International Conference on Lightning Protection) đã ra tuyên bố phản đối phương pháp này.
Hệ thống ngăn chặn sét hoạt động bằng cách phân tán điện tích của mây dông trước khi xảy ra phóng điện, tạo ra một đám mây điện tích dương tại khu vực bảo vệ để làm chệch hướng tia sét Các dụng cụ phân tán thường được sử dụng bao gồm nhiều kim mũi nhọn nối đất, có thể là lưới kim loại hoặc bàn chải, nhằm tăng cường hiệu quả bảo vệ.
Hút sét bằng tia laser:
Ngày nay, việc chống sét cho các công trình hiện đại yêu cầu các phương pháp hiệu quả cao Các nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực này bao gồm giáo sư Bazelyan từ Nga và giáo sư Zen Kawazaki từ Nhật Bản, đã đạt được những kết quả bước đầu đáng chú ý Tại Nhật Bản, vào năm 1997, sau nhiều thử nghiệm, họ đã thành công trong việc thu được tia sét hai lần Theo các chuyên gia, về mặt kỹ thuật, việc này khả thi, nhưng thách thức lớn nằm ở việc đồng bộ hóa và chi phí cho một lần chống sét có thể cao hơn giá vàng Hướng nghiên cứu này vẫn đang tiếp tục được phát triển.
Phương pháp phòng chống tích cực:
Dự báo dông sét sớm là một phương pháp hiệu quả được sử dụng trong những năm gần đây Nhờ vào các thiết bị hiện đại như radar, vệ tinh và hệ thống định vị phóng điện, khả năng xảy ra dông sét tại khu vực có thể được dự báo trong khoảng thời gian từ 30 phút đến vài giờ Các phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không, điện lực và đảm bảo an toàn cho con người.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP
Mở đầu
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây và trạm biến áp, trong đó trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng Sét đánh trực tiếp vào thiết bị của trạm có thể gây hư hỏng nghiêm trọng và dẫn đến ngừng cung cấp điện, ảnh hưởng đến sản xuất điện năng và các ngành kinh tế khác Do đó, việc tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp ngoài trời là rất cần thiết, giúp đưa ra các phương án bảo vệ an toàn và kinh tế, đảm bảo toàn bộ thiết bị trong trạm được bảo vệ hiệu quả.
Bên cạnh việc bảo vệ các thiết bị trong trạm khỏi sét đánh trực tiếp, cần chú ý đến việc bảo vệ các đoạn đường dây gần trạm và đoạn dây nối từ xà cuối cùng của trạm đến cột đầu tiên của đường dây.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống chống sét đánh trực tiếp
Tất cả thiết bị bảo vệ phải nằm trong phạm vi an toàn của hệ thống bảo vệ Hệ thống cột thu sét có thể được lắp đặt ở các độ cao khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm mặt bằng trạm và các cấp điện áp, có thể sử dụng các cấu trúc có sẵn như xà hoặc cột đèn chiếu sáng, hoặc được đặt độc lập.
Khi lắp đặt hệ thống cột thu sét trên công trình, việc tận dụng độ cao tự nhiên của công trình giúp giảm chiều cao của hệ thống thu sét Tuy nhiên, cần đảm bảo rằng hệ thống thu sét trên các công trình mang điện phải có mức cách điện cao và điện trở tản của bộ phận nối đất phải nhỏ.
Trạm biến áp ngoài trời từ 110 kV trở lên có cách điện cao, cho phép đặt cột thu sét nối đất vào hệ thống nối đất của trạm phân phối Dòng điện cần được khuyếch tán vào đất qua 3-4 cọc nối đất theo đường ngắn nhất Mỗi trụ trong kết cấu cũng cần có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất, đảm bảo điện trở không vượt quá 4Ω.
Cuộn dây MBA là phần yếu nhất của trạm biến áp ngoài trời có điện áp từ 110 kV trở lên Để bảo vệ MBA bằng chống sét van, khoảng cách giữa hai điểm nối đất vào hệ thống nối đất của hệ thống thu sét và vỏ MBA cần phải lớn hơn 15m.
Khi thiết lập khoảng cách cách ly giữa hệ thống thu sét và công trình, cần đảm bảo khoảng cách này đủ lớn để tránh hiện tượng phóng điện trong không khí và đất Đồng thời, phần dẫn điện của hệ thống thu sét phải có tiết diện đủ lớn để đảm bảo ổn định nhiệt khi dòng điện sét đi qua.
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét và dây chống sét
1.3.1 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét a) Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập
Phạm vi bảo vệ của cột thu sét được xác định bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay, với đường kính tính toán theo công thức cụ thể.
Cột thu sét có độ cao h và bảo vệ vật có độ cao hx, với độ cao hiệu dụng được tính bằng công thức ha = h - hx Bán kính của phạm vi bảo vệ được ký hiệu là rx Để thuận tiện trong thiết kế, phạm vi bảo vệ thường được đơn giản hóa thành hình chóp với đường sinh dạng gãy khúc, như thể hiện trong hình vẽ 1.1.
Bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau được tính toán theo công thức sau
Hình 1- 1: Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
Các công thức trên chỉ áp dụng cho cột thu sét có chiều cao dưới 30m Khi cột thu sét cao hơn 30m, hiệu quả sẽ giảm do độ cao định hướng của sét giữ hằng số Trong quá trình tính toán, cần nhân với hệ số hiệu chỉnh p = 5, h = 5 và sử dụng các hoành độ 0,75hp và 1,5hp trong hình vẽ Bên cạnh đó, cần xem xét phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu sét.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét kết hợp lớn hơn tổng phạm vi bảo vệ của hai cột đơn Để đảm bảo sự phối hợp hiệu quả giữa hai cột thu sét, khoảng cách a giữa chúng cần phải thỏa mãn điều kiện a < 7h, trong đó h là chiều cao của cột.
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao
Khi hai cột thu sét có cùng độ cao h và cách nhau một khoảng a (với a < 7h), độ cao tối đa của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét được tính theo công thức cụ thể.
Sơ đồ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao bằng nhau h 0,2h
Hình 1- 2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét giống nhau
Chú ý: Khi độ cao của cột thu sét vượt quá 30m thì ngoài các hiệu chỉnh như trong phần chú ý của mục 1 thì còn phải tính ho theo công thức:
(1 – 7) c) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau
Giả sử có hai cột thu sét: cột 1 có chiều cao h1, cột 2 có chiều cao h2 và Hai cột cách nhau một khoảng là a
Đầu tiên, xác định phạm vi bảo vệ của cột cao h1 Tiếp theo, từ đỉnh cột thấp h2, vẽ một đường thẳng ngang đến điểm 3, nơi nó giao với đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao Điểm 3 được coi là đỉnh của cột thu sét giả định, tạo thành một cặp cột có độ cao bằng h2 và khoảng cách a’ Phần còn lại tương tự như phạm vi bảo vệ của cột 1, với a' = a - x.
Hình 1- 3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét khác nhau d) Phạm vi bảo vệ của một nhóm cột (số cột >2)
Một nhóm cột sẽ tạo thành một đa giác, và phạm vi bảo vệ được xác định bởi toàn bộ miền của đa giác cùng với phần giới hạn bao ngoài, tương tự như của từng đôi cột a, b, r, x, r, ox, r, ox.
Hình 1- 4: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột
Vật có độ cao hx nằm trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
D 8 ha = 8 (h - hx) (1 – 10) Với D là đường tròn ngoại tiếp đa giác hình thành bởi các cột thu sét
Chú ý: Khi độ cao của cột lớn hơn 30m thì điều kiện bảo vệ cần được hiệu chỉnh theo p
1.3.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét: a) Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét rất rộng, và chiều rộng này phụ thuộc vào chiều cao \( h_x \) như được thể hiện trong hình vẽ.
Hình 1- 5: Phạm vi bảo vệ của một dây thu sét
Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét tương tự cột thu sét ta có các hoành độ 0,6h và 1,2h
Khi cột cao hơn 30m, cần điều chỉnh điều kiện bảo vệ theo quy định Để đảm bảo hiệu quả bảo vệ bằng hai dây thu sét, khoảng cách giữa chúng phải thỏa mãn điều kiện s < 4h.
Với khoảng cách s trên thì dây có thể bảo vệ được các điểm có độ cao
Phạm vi bảo vệ như hình vẽ h 0,2h
Hình 1- 6: Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét
Phần ngoài của phạm vi bảo vệ giống như một dây, trong khi phần bên trong được xác định bởi vòng cung đi qua ba điểm: hai điểm treo dây thu sét và một điểm có độ cao so với mặt đất.
Mô tả trạm biến áp cần bảo vệ
- Trạm biến áp: Trạm 220/110 kV
+ Phía 220kV 6 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng
+ Phía 110kV 10 lộ đường dây, sử dụng sơ đồ 2 thanh góp có thanh góp vòng, được cấp điện từ 2 máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2)
- Độ cao xà đón dây 220 kV: 17 m; độ cao xà thanh góp 220 kV:11 m
- Độ cao xà đón dây 110 kV: 11 m; độ cao xà thanh góp 110 kV: 7,8 m;
- Khoảng cách pha phía 220 kV: 4,30 m; phía 110 kV: 2,25 m.
Tính toán các phương án bảo vệ chống sét đánh thẳng cho trạm biến áp
- Phía 220 kV dùng 15 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao 17m; cột 6÷15 được đặt trên xà thanh góp cao 11m
- Phía 110 kV dùng 13 cột trong đó cột 16÷19, 21÷24 được đặt trên xà thanh góp cao 7,8 m; cột 25÷28 được đặt trên xà đón dây cao 11 m và cột 20 được xây thêm
Vậy: - Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx = 17 m
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 7,8 m và hx = 11 m
Hình 1-7: Sơ đồ bố trí cột thu sét PA 1
Để bảo vệ một khu vực nhất định được giới hạn bởi tam giác hoặc tứ giác, độ cao của cột thu lôi cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể.
Trong đó D: đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác hoặc tứ giác ha: độ cao hữu ích của cột thu lôi.
Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi luôn lớn hơn phạm vi bảo vệ của một cột đơn lẻ Để hai cột thu lôi có thể hoạt động phối hợp hiệu quả, điều kiện cần thiết là khoảng cách giữa chúng phải nhỏ hơn hoặc bằng 7 lần chiều cao của cột.
Với a: khoảng cách giữa 2 cột thu sét h: chiều cao toàn bộ cột thu sét
Xét nhóm cột 1-2-7-6 tạo thành hình chữ nhật: a1-2 = 51,6 m ; a1-6 = 39,2 m Hình chữ nhật có đường chéo là: D = 51,6 39,2 2 2 64,801 (m)
Vậy độ cao hữu ích của cột thu lôi: ha 64,801 8,100
Xét nhóm cột 11, 12, 16 tạo thành hình tam giác vuông: a = a11-16 = (51,6 7,6) 2 40 2 59,464 (m) b = a16-12 = 7,6 30 2 2 40,716 (m) c = a12-11 Q,6 (m)
- Nửa chu vi tam giác là: p = 59,464 40,716 51,6 75,89
(m) Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác là:
Vậy độ cao hữu ích của cột thu sét: ha 60,528 7,566
Tính toán tương tự cho các đa giác còn lại, ta có bảng kết quả sau:
Bảng 1-1 Độ cao hữu ích của cột thu lôi phương án 1 ĐA GIÁC Đường kính vòng tròn ngoại tiếp (m) ha
Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp
Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
Chiều cao tối đa của phía 220kV là 8,1 m và phía 110kV là 7,8 m Do chênh lệch giữa hai chiều cao này là nhỏ, chúng ta chọn chiều cao chung là 9 m cho cả hai phía Để tính độ cao của cột thu sét, ta sử dụng công thức: h = ha + hx.
- Phía 220 kV: Độ cao tác dụng ha = 9 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 17 m
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là: h = ha + hx = 9 + 17 = 26 (m)
- Phía 110kV: Độ cao tác dụng ha = 8 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11m
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là: h = ha + hx = 9 + 11 = 20 (m)
Bán kính bảo vệ của cột thu sét ở các độ cao bảo vệ tương ứng:
Bán kính bảo vệ của các cột 20 m (các cột N16 N28 phía 110kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m là:
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 7,8 m là:
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m là:
Bán kính bảo vệ của các cột 26m (các cột N1 N15 phía 220 kV)
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 11m là:
- Bán kính bảo vệ ở độ cao 17 m là:
Bảng 1 – 2: Bán kính bảo vệ của cột thu sét phương án 1
Cột Chiều cao h (m) Bán kính bảo vệ tương ứng rx (m)
Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét
* Xét cặp cột 1-2 có: a = 51,6 m và h = 26 m
- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
- Bán kính của khu vực giữa hai côt thu sét là:
* Xét cặp cột 11, 20 có độ cao khác nhau
Vì (m) Do vậy ta vẽ cột giả định 11’ có độ cao
((m) Vậy khoảng cách từ cột giả định đến cột 20 là:
(m) Phạm vi bảo vệ của hai cột 11’ và 20 là:
- Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu sét là:
- Bán kính của khu vực giữa hai cột thu sét là:
Tính toán tương tự cho các cặp cột còn lại ta có bảng:
Bảng 1- 3: Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét phương án 1
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ đối với các độ cao khác nhau như sau:
Hình 1 – 8: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét PA 1
- Phía 220 kV dùng 15 cột trong đó cột 1÷5 được đặt trên xà đón dây cao
17m; cột 6÷15 được đặt trên xà thanh góp cao 11m
- Phía 110 kV dùng 13 cột trong đó cột 17÷23 được đặt trên xà thanh góp cao 7,8 m; cột 24÷30 được đặt trên xà đón dây cao 11 m và cột 16 được xây thêm
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 220 kV là hx = 11 m và hx = 17 m
- Chiều cao tính toán bảo vệ cho trạm 110 kV là hx = 7,8 m và hx = 11 m
Hình 1-9: Sơ đồ bố trí cột thu sét phương án 2
Tính toán độ cao hữu ích của cột thu lôi:
Tính toán tương tự như phương án ta thu được kết quả tính toán được trình bầy trong bảng:
Bảng 1-4 Độ cao hữu ích của cột thu sét phương án 2 ĐA GIÁC Đường kính vòng tròn ngoại tiếp (m) ha
Chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm biến áp
Sau khi tính toán độ cao tác dụng chung cho các nhóm cột thu sét, ta chọn độ cao tác dụng cho toàn trạm như sau:
+ Phía 110kV có hmax = 7,8 m Vậy ta chọn ha = 9 m chung cho cả 2 phía do chênh lệch của hmax là nhỏ. Tính độ cao của cột thu sét: h = ha + hx
- Phía 220 kV: Độ cao tác dụng ha = 9 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 17 m
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 220kV là: h = ha + hx = 9 + 17 = 26 (m)
- Phía 110kV: Độ cao tác dụng ha = 9 m Độ cao lớn nhất cần bảo vệ hx = 11m
Do đó, độ cao các cột thu sét phía 110kV là: h = ha + hx = 9 + 11 = 20 (m)
Tính toán tương tự phương án 1 – mục 1.5.1 ta có:
Bảng 1-5: Bán kính bảo vệ của cột thu sét PA 2
Cột Chiều cao h (m) Bán kính bảo vệ tương ứng rx (m)
Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu sét
Tính toán tương tự phương án 1 – mục 1.5.1 ta có bảng kết quả phạm vi bảo vệ như sau:
Bảng 1-6: Phạm vi bảo vệ của các căp cột thu sét PA 2
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được phạm vi bảo vệ đối với các độ cao khác nhau như sau:
Hình 1 – 10: Phạm vi vảo vệ của các cột thu sét PA 2
So sánh và tổng kết phương án
Cả hai phương án bố trí cột thu sét đều đảm bảo bảo vệ toàn bộ thiết bị trong trạm và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật.
- Phía 220kV dùng 15 cột cao 26 m trong đó 5 cột đặt trên xà cao 17 m; 10 cột đặt trên xà cao 11m.
- Phía 110kV dùng 13 cột cao 20 m trong đó 8 cột đặt trên xà cao 7,8 m; 4 cột đặt trên xà cao 11 m và 1 cột được xây thêm
-Tổng chiều dài cột là:
- Phía 220kV dùng 15 cột cao 26 m trong đó 5 cột đặt trên xà cao 17 m; 10 cột đặt trên xà cao 11m.
- Phía 110kV dùng 15 cột cao 19 m trong đó 7 cột đặt trên xà cao 7,8 m; 7 cột đặt trên xà cao 11 m và 1 cột được xây thêm
-Tổng chiều dài cột là:
Phương án 1 được chọn làm phương án tính toán thiết kế chống sét cho trạm biến áp do có số cột thu sét ít và tổng chiều dài cột nhỏ hơn.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
Mở đầu
Nối đất là quá trình kết nối các bộ phận kim loại có khả năng tiếp xúc với dòng điện do hư hỏng cách điện vào một hệ thống nối đất Trong hệ thống điện, có ba loại nối đất chính.
Nối đất an toàn là biện pháp quan trọng để bảo vệ người dùng khi cách điện của thiết bị bị hư hỏng Việc nối đất cần được thực hiện với tất cả các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng máy biến áp và các giá đỡ kim loại Khi cách điện bị hư hỏng, điện thế có thể xuất hiện trên các bộ phận này, nhưng nhờ vào việc nối đất, mức điện thế sẽ được giữ ở mức thấp, từ đó đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc.
Nối đất làm việc đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường theo quy định Nó bao gồm nối đất điểm trung tính MBA trong hệ thống điện có điểm trung tính nối đất, cũng như nối đất của MBA đo lường và các kháng điện bù ngang trên các đường dây tải điện xa.
Nối đất chống sét là hệ thống giúp tản dòng điện sét vào lòng đất khi có sét đánh vào cột thu sét hoặc đường dây, nhằm duy trì điện thế an toàn trên thân cột Việc này rất quan trọng để hạn chế hiện tượng phóng điện ngược, bảo vệ các công trình khỏi thiệt hại do sét.
Các yêu cầu kĩ thuật
Điện trở tản của bộ phận nối đất cần được giữ ở mức thấp nhất có thể, nhưng việc này đòi hỏi sử dụng nhiều kim loại và khối lượng thi công lớn Do đó, việc xác định tiêu chuẩn và lựa chọn phương án nối đất cần phải hợp lý về mặt kinh tế và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Điện trở nối đất an toàn phải được chọn sao cho điện áp bước và tiếp xúc không vượt quá giới hạn cho phép trong mọi trường hợp.
Theo quy trình hiện hành tiêu chuẩn nối đất được quy định như sau:
- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất (dòng ngắn mạch chạm đất lớn) trị số điện trở nối đất cho phép là:
- Đối với thiết bị điện có điểm trung tính cách điện (dòng ngắn mạch chạm đất bé) thì:
Nếu chỉ dùng cho các thiết bị cao áp
Nếu dùng cho cả cao áp và hạ áp
Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn thường được kết nối chung Điều này yêu cầu phải đảm bảo loại nối đất có trị số điện trở nối đất cho phép nhỏ nhất.
Khi thực hiện nối đất, cần sử dụng các hình thức nối đất có sẵn như đường ống và kết cấu kim loại chôn trong đất, cũng như móng bê tông cốt thép Việc tính toán điện trở tản của các đường ống chôn trong đất tương tự như điện cực hình tia.
Do nối đất hoạt động trong môi trường không đồng nhất (đất - bê tông), điện trở suất của nó cao hơn so với điện trở suất của đất thuần túy Trong các tính toán, cần tăng điện trở suất này lên 25%.
Khung cốt thép không cần hiệu chỉnh bằng hệ số chuyển từ cực lưới sang cực đặc do cấu trúc lưới của nó Đối với thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất nhỏ, nếu điện trở tản của các phần nối đất đạt yêu cầu, không cần nối đất bổ sung Tuy nhiên, với thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất lớn, cần thiết phải lắp đặt thêm nối đất nhân tạo với trị số điện trở tản không vượt quá 1.
Nối đất chống sét thông thường bao gồm việc kết nối đất cho cột thu sét, cột điện, cũng như hệ thống thu sét tại các trạm biến áp và nhà máy điện.
Bộ phận nối đất của cột thu sét và cột điện thường được thiết kế độc lập, không liên kết với các bộ phận khác Do đó, việc áp dụng hình thức nối đất tập trung là cần thiết để đảm bảo hiệu quả tản dòng điện tốt nhất.
Khi đường dây đi qua các vùng đất ẩm (3.10 4 cm), nên tận dụng phần nối đất có sẵn của móng và chân cột bê tông để bổ sung hoặc thay thế cho phần nối đất nhân tạo.
Đối với hệ thống thu sét tại các trạm biến áp, khi bộ phận thu sét được lắp đặt trên xà trạm, phần nối đất chống sét cần phải kết nối với mạch vòng nối đất an toàn của trạm Việc này dẫn đến sự xuất hiện của nối đất phân bố dài, làm tăng điện trở Zxk và gây ra điện áp giáng, có thể dẫn đến phóng điện trong đất Do đó, việc nối đất chung chỉ khả thi cho các trạm biến áp có cấp điện áp 110kV Bên cạnh đó, cần thực hiện các biện pháp bổ sung, đảm bảo khoảng cách từ chỗ nối đất của hệ thống thu sét đến mạch dẫn điện trong đất phải từ 15m trở lên.
Lý thuyết tính toán nối đất
2.3.1 Tính toán nối đất an toàn
Với cấp điện áp lớn hơn 110kV nối đất an toàn phải thoả mãn điều kiện là:
- Điện trở nối đất của hệ thống có giá trị
- Cho phép sử dụng nối đất an toàn và nối đất làm việc thành một hệ thống Điện trở nối đất của hệ thống
Trong đó: RTN: điện trở nối đất tự nhiên
RNT: điện trở nối đất nhân tạo ( )
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích hệ thống nối đất tự nhiên của trạm, bao gồm các biện pháp chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV kết nối tới trạm.
Ta có công thức tính toán như sau:
Trong đó: Rcs: điện trở tác dụng của dây chống sét trong một khoảng vượt
Rc: điện trở nối đất của cột điện
Xét trường hợp đơn giản nhất là trường hợp điện cực hình bán cầu
Dòng điện chạm đất I đi qua điểm sự cố sẽ tạo nên điện áp giáng trên bộ phận nối đất
Với R là điện trở tản của nối đất
Theo tính toán xác định được sự phân bố điện áp trên mặt đất theo công thức:
Trong thực tế, nối đất có nhiều hình thức, bao gồm cọc dài 2-3m bằng sắt tròn hoặc sắt góc chôn thẳng đứng, cùng với thanh dài chôn nằm ngang ở độ sâu 0,5-0,8m được đặt theo hình tia hoặc mạch vòng Trị số điện trở tản của hình thức nối đất cọc được xác định theo các công thức đã được quy định Đối với nối đất chôn nằm ngang, có thể áp dụng công thức chung để tính trị số điện trở tản xoay chiều.
Chiều dài tổng của điện cực được ký hiệu là L, trong khi t là độ chôn sâu và d là đường kính của điện cực khi sử dụng sắt tròn Nếu sử dụng sắt dẹt, giá trị d sẽ được thay thế bằng b, trong đó b là chiều rộng của sắt dẹt.
K: hệ số phụ thuộc vào sơ đồ nối đất (tra bảng)
Khi hệ thống nối đất có nhiều cọc được sắp xếp dọc theo chiều dài tia hoặc theo chu vi mạch vòng, điện trở tản của hệ thống có thể được tính toán bằng một công thức cụ thể.
Trong đó: Rc: điện trở tản của một cọc
Rt: điện trở tản của tia hoặc của mạch vòng n : số cọc
: hệ số sử dụng của tia dài hoặc của mạch vòng
: hệ số sử dụng của cọc
2.3.2 Tính toán nối đất chống sét
Hai quá trình đồng thời xảy ra khi có dòng điện tản trong đất
- Quá trình quá độ của sự phân bố điện áp dọc theo chiều dài điện cực
- Quá trình phóng điện trong đất
Khi chiều dài điện cực ngắn (nối đất tập trung), chỉ cần xem xét quá trình phóng điện trong đất mà không cần quan tâm đến quá trình quá độ Ngược lại, với nối đất dạng tia dài hoặc mạch vòng (phân bố dài), cả hai quá trình cần được xem xét vì chúng ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả nối đất Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung không phụ thuộc vào kích thước hình học của điện cực, mà được xác định bởi biên độ dòng điện I, điện trở suất và đặc tính xung kích của đất.
Vì trị số điện trở tản xoay chiều của nối đất tỉ lệ với nên hệ số xung kích có trị số là:
Tính toán nối đất phân bố dài không xét tới quá trình phóng điện trong đất
Sơ đồ đẳng trị của nối đất được thể hiện như sau:
Hình 2-1: Sơ đồ đẳng trị của hệ thống nối đất.
Trong mọi trường hợp, điện trở tác dụng R có thể được bỏ qua do giá trị của nó nhỏ hơn điện trở tản Đồng thời, phần điện dung C cũng không cần xem xét, vì trong trường hợp sóng xung kích, dòng điện dung rất nhỏ so với dòng điện qua điện trở tản Do đó, sơ đồ đẳng trị có thể được rút gọn như sau:
Hình 2 – 2: Sơ đồ đẳng trị thu gọn
Trong sơ đồ thay thế trên thì:
L0: điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài
G0: điện dẫn của điện cực trên một đơn vị dài
Với l: chiều dài cực r: bán kính cực ở phần trước nếu cực là thép dẹt có bề rộng b (m)
Gọi Z(x, t) là điện trở xung kích của nối đất kéo dài, nó là hàm số của không gian và thời gian t
(2 – 13) U(x, t), I(x, t) là dòng điện và điện áp xác định từ hệ phương trình vi phân:
Giải (2 – 14) ta được điện áp tại điểm bất kỳ và tại thời điểm t trên điện cực:
Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất
Với: (hằng số thời gian) Đặt ta có:
Tính toán nối đất phân bố dài khi có xét quá trình phóng điện trong đất.
Việc giảm điện áp và mật độ dòng điện ở các phần xa của điện cực dẫn đến quá trình phóng điện trong đất yếu hơn so với đầu vào của nối đất Do đó, điện dẫn của nối đất không chỉ phụ thuộc vào dòng điện I mà còn vào tọa độ Tính toán tổng trở trở nên phức tạp và chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng Trong phạm vi đề tài, chúng ta có thể bỏ qua quá trình phóng điện trong đất.
Tính toán nối đất an toàn
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích hệ thống nối đất tự nhiên của trạm, bao gồm các biện pháp chống sét cho đường dây và cột điện 110kV và 220kV kết nối tới trạm.
+ Dây chống sét ta sử dụng loại C-70 có ro = 2,38
+ Điện trở suất của đất = 80
+ Chiều dài khoảng vượt đường dây: LKV = 210m
Trạm có 6 lộ 220kV, 10 lộ 110 kV Theo công thức (2 – 4) ta có:
Trong đó: n - số lộ dây
- Đối với các lộ đường dây chống sét 220 kV:
- Đối với các lộ đường dây chống sét 110 kV:
RTN < 0,5 được coi là đạt yêu cầu về nối đất an toàn theo lý thuyết Tuy nhiên, do nối đất tự nhiên có thể biến động, việc thực hiện nối đất nhân tạo là cần thiết.
Với trạm bảo vệ có kích thước hình chữ nhật có các chiều là: và
Ta lấy lùi lại mỗi đầu 1 m để cách xa móng tường trạm
Chúng ta sử dụng mạch vòng bao quanh trạm hình chữ nhật ABCD với kích thước cụ thể Điện trở nối đất của hệ thống mạch vòng được xác định như sau:
Với: L: chu vi của mạch vòng L = (l1 + l2) 2 = (172,6 + 213) 2 = 771,2 (m) t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t = 0,8 m
: điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t : = Kmùa
Tra bảng với thanh ngang chôn sâu 0,8 m ta có kmùa =1,6
= 80 1,6 = 128 ( m) d: đường kính thanh làm mạch vòng (nếu thanh dẹt có bề rộng b thì d = b/2)
Ta chọn thanh có bề rộng là b = 4cm do đó: d = b/2 = 4/2 =2 (cm) = 0,02 (m)
K: hệ số phụ thuộc hình dáng của hệ thống nối đất
Bảng 2 – 1: Hệ số K phụ thuộc vào (l 1 /l 2 ) l1/l2 1 1,5 2 3 4
Ta có Giá trị này nằm trong khoảng (1; 1,5).
Sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính ta có:
Thay các công thức trên vào công thức tính RMV ta được
Vậy điện trở nối đất của hệ thống là:
Kết luận: Hệ thống thiết kế nối đất trên đảm bảo an toàn cho TBA 110/220kV
Tính toán nối đất chống sét
2.5.1 Tính toán nối đất chống sét và kiểm tra điều kiện phóng điện
Khi thiết kế hệ thống nối đất chống sét cho trạm biến áp 110/220kV, cần kết hợp nối đất chống sét với nối đất an toàn Hệ thống nối đất chống sét sẽ được thiết kế dưới dạng mạch vòng phân bố dài Sơ đồ thay thế cho hệ thống chống sét được thể hiện trong hình 2 – 1.
Giá trị của L0 và G0 o được xác định như sau:
+ Tính Lo: Theo (2 - 11) ta có : ( )
Trong đó: l: chiều dài điện cực : (m) r: bán kính điện cực: (m)
+ Tính phân bố điện áp và tổng trở xung kích của hệ thống nối đất
Chọn dạng sóng xiên góc của dòng điện sét có biên độ không đổi:
Hình 2- 3: Đồ thị dạng sóng của dòng điện sét.
Với biên độ dòng điện sét là I 0 kA Độ dốc của dòng sét là a = 30
Nên thời gian đầu sóng là
Theo (2 – 13) ta có tổng trở xung kích của hệ thống nối đất nhân tạo:
Do coi mạch vòng là sự ghép song song của hai tia nên Để xác định được Z(0, đs), ta xét các chuỗi số sau:
Trong chuỗi số này, chúng ta chỉ xem xét các số hạng chứa \$e^{-4}\$, vì các số hạng từ \$e^{-5}\$ trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước đó và có thể bị bỏ qua Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ tính đến \$k\$ sao cho \$k \in \mathbb{Z}^+\$.
Với kmin = 9 Ta chọn k trong khoảng từ 19 ( )
Bảng 2 –2: Bảng tính toán chuỗi k 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Từ bảng trên ta có: và
Kiểm tra quá điện áp trên các thiết bị:
Trong trạm biến áp, máy biến áp là phần tử quan trọng nhất và cũng là phần tử yếu nhất, do đó việc kiểm tra máy biến áp là cần thiết Để đảm bảo an toàn cho trạm biến áp khi có dòng điện sét đi vào, cần phải thoả mãn các điều kiện nối đất.
Trong đó: I : biên độ của dòng điện sét
ZXK(0, đs): tổng trở xung kích ở đầu vào nối đất của dòng điện sét
U50% MBA : điện áp 50% của máy biến áp
- Đối với MBA 110(kV) U50% MBA = 460 kV
- Đối với MBA 220(kV) U50%MBA = 900 kV
Kiểm tra điều kiện này ta thấy:
Uđ=I ZXK(0, đs) = 150 4,632 = 694,7 kV > U50%MBA = 460 kV
Ta thấy rằng phải tiến hành nối đất bổ sung để đảm bảo không có phóng điện ngược
Để giảm điện trở nối đất và đảm bảo tiêu chuẩn cho hệ thống nối đất chống sét, chúng ta cần thực hiện việc nối đất mạch vòng kết hợp với cọc xung quanh Phương án này bao gồm việc đóng cọc bổ sung để tạo thành mạch vòng, với công thức tính toán là \( l_a = h + \frac{l}{2} + \frac{l}{2} + h \).
Hình 2-4 minh họa sơ đồ nối đất của thanh vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm Điện trở nối đất nhân tạo của hệ thống được tính toán theo công thức cụ thể.
Trong đó: Rmv :điện trở nối đất của mạch vòng.
Rc: điện trở nối đất của cọc. n: số cọc.
c ,mv: hệ số sử dụng của cọc và thanh. Điện trở nối đất của cọc:
Rc Trong đó : l: chiều dài cọc, ta chọn l = 3 m, cọc được làm bằng thép tròn 40
tt: điện trở suất tính toán,với cọc ta tính được tt Tra giáo trình hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện ta có =1,25
Vậy ta có: tt = 80.1,25 = 100 .m Độ chôn sâu của cọc: h = 0,8 m
Giá trị của t được tính như sau: t = (m)
Ta tính được điện trở tản của một cọc như sau:
Rc = = 28,39() Ở trên ta đã tính được điện trở của mạch vòng là Rmv = 0,396
Vì vậy ta cần tính n, c, mv.
Việc xác định các giá trị này được tiến hành như sau:
Vậy ta có số lượng cọc dọc theo chu vi mạch vòng là: n = (cọc)
Tra bảng 4 và bảng 6 phần phụ lục giáo trình hướng dẫn thiết kế KTĐCA ta được: c= 0,35 và mv = 0,19.
Thay các giá trị Rmv, Rc, n, c, mv vào công thức ta có điện trở nối đất của hệ thống nối đất mạch vòng – thanh – cọc như sau:
Tính tổng trở xung kích
Ta tính được T1 như sau: T1= = 146,7(s)
Do ta coi hệ thống nối đất gồm có hai tia ghép song song nên tổng trở nối đất tại thời điểm t = đs = 5s là:
Z(0,t) Bảng 2 – 3: Bảng tính toán chuỗi k
Kiểm tra điều kiện an toàn cho máy biến áp:
Giá trị điện áp đầu vào trong đất là:
Uđ = Iz ZXK (0,đs) = 150.3,449 = 517,3 kV
Như vậy: Uđ = 517,3 kV > U50% MBA F0kV.
Qua kết quả tính toán này ta phải đi tính toán nối đất bổ sung để đảm bảo không có phóng điện ngược.
Nối đất mạch vòng kèm theo nối đất bổ sung cho trạm.
Trong hệ thống nối đất bổ sung, chúng ta áp dụng phương pháp nối đất tập trung với thanh và cọc tại chân các cột thu sét và thiết bị Việc xác định Zbs bằng lý thuyết gặp nhiều khó khăn, do đó, chúng ta lựa chọn hình thức nối đất bổ sung này.
Chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹt có :
- Khoảng cách giữa hai cọc: a = 3 m
Nối đất cho hệ thống chống sét được xác định với Kmùa là 1,25 khi sử dụng thanh ngang chôn sâu 0,8m, theo bảng 2.1 trong giáo trình hướng dẫn thiết kế KTĐCA của Nguyễn Minh Chước.
Sơ đồ nối đất bổ sung như sau:
Hình 2-5 Sơ đồ nối đất bổ sung.
+ Điện trở thanh: RT Trong đó:
L : chiều dài thanh (L = 8m) t : độ chôn sâu của thanh làm tia t = 0,8 m
tt.T: điện trở suất tính toán của nối đất đối với thanh làm tia chôn ở độ sâu t
Vì ta chọn thanh dẹt có bề rộng b = 0,04m nên đường kính thanh làm tia bằng: d = b/2 = 0,02(m).
K: hệ số hình dáng lấy k = 1 do nối đất là tia ngang.
+ Điện trở cọc: RC Trong đó: - ttc là điện trở suất của đất với cọc ở độ sâu: t = 0,8 m
Vậy: RC = = 28,392 ( ) Điện trở bổ sung được tính theo công thức sau: RBS Trong đó n : số cọc
T, c : hệ số sử dụng của thanh và cọcVới: n = 3, lcọc = 3 m, a = 3 m, a/l = 1
(Tra bảng 3 bảng 5 phần phụ lục sách hướng dẫn thiết kế KTĐCA ta được:
Ta có công thức tính tổng trở xung kích khi có nối đất bổ sung như sau:
B Xét chuỗi số , trong chuỗi số này ta chỉ tính đến e -4 (vì từ e -5 trở đi có giá trị rất nhỏ) có nghĩa là ta tính với XK sao cho:
Mạch vòng của hệ thống nối đất được hình thành từ việc ghép song song hai tia có độ dài bằng nhau, mỗi tia dài 385,6 m Sơ đồ thay thế cho hệ thống nối đất được trình bày như sau:
Trong đó: L’, G’ lần lượt là điện cảm và điện dẫn của 1 đơn vị dài
Hình 2-6 Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất
Giải phương trình trên bằng Matlab như sau:
******************************************************* function tinhnghiem n = 0; for x = [0:0.00001:34.02]; y = tan(x)+ 0.0503*x; if abs(y) < 1e-4 n = n + 1 ; x0(n)=x; y0(n)=y; end end e = 1e-3; for i = 1:n-1 for j = i+1:n if abs(x0(i)-x0(j)) abs(y0(j)) x0(i)=0; y0(i)=0; else x0(j)=0; y0(j)=0 ; endend end end for i=1:n if ~(x0(i) == 0) disp(x0(i)); end end
Bảng 2 –4: Bảng tính toán giá trị k
Từ đó tính được: = 0,377 + 2,657 = 3,034(Ω) Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm t = (thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại) là:
Uđ = I.ZXK(0, )0.3,304 = 455,1 kV < U50%MBA = 460 kV.
Vì giá trị của Ud nhỏ hơn 50% MBA, hệ thống nối đất bổ sung đảm bảo yêu cầu về nối đất chống sét, giúp máy biến áp an toàn khi có sét đánh vào trạm.
Kết luận: Phương án nối đất mạch vòng với nối đất bổ sung đáp ứng đầy đủ yêu cầu về an toàn và chống sét Do đó, chúng ta sẽ áp dụng phương án này để thực hiện nối đất cho trạm.
Phương án ta chọn có 29 cột chống sét như vậy số lượng sắt thép dùng trong nối đất bổ sung là: L2 = 29.(8+3x3) = 493 (m)
Số lượng sắt thép dùng trong hệ thống nối đất là:
Kết luận
Sau khi thực hiện nối đất bổ sung cho các cột thu sét, hệ thống nối đất đã đạt tiêu chuẩn kỹ thuật về nối đất chống sét cho trạm 110/220 kV.
BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY
Mở đầu
Đường dây tải điện chủ yếu là các đường dây trên không có chiều dài lớn, đi qua nhiều khu vực, do đó có nguy cơ bị sét đánh cao, dẫn đến phóng điện trên cách điện và sự cố cắt điện Khi sét đánh vào đoạn dây gần trạm, nó tạo ra sóng truyền vào trạm, gây hư hại cho cách điện của thiết bị điện Vì vậy, cần nghiên cứu và triển khai các biện pháp chống sét cho đường dây tải điện, đặc biệt là các đoạn gần trạm, để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Quá điện áp khí quyển xảy ra khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc khi sét đánh xuống đất gần đó, gây ra quá điện áp cảm ứng Mức độ của quá điện áp này rất cao, do đó không thể chọn cách điện cho đường dây hoàn toàn đáp ứng yêu cầu mà chỉ có thể lựa chọn mức hợp lý về kinh tế và kỹ thuật Vì vậy, yêu cầu bảo vệ chống sét cho đường dây không phải là an toàn tuyệt đối, mà chỉ cần đạt mức độ giới hạn hợp lý.
Chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây
Trong phần này, chúng ta sẽ tính toán các chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây, từ đó xác định các phương hướng và biện pháp nhằm giảm thiểu số lần cắt điện của đường dây cần bảo vệ.
3.2.1 Cường độ hoạt động của sét
Số ngày sét là chỉ số thể hiện cường độ hoạt động của sét, được tính bằng số ngày có giông sét trong năm (nng s) Thông tin này được thu thập từ các số liệu quan trắc tại các trạm khí tượng trên toàn quốc.
Mật độ sét được xác định bằng cách tính số lần sét đánh trên diện tích 1 km² trong một ngày, với trị số khoảng ms.
Tần suất sét đánh vào các công trình hoặc đường dây tải điện được ước tính là từ 0,1 đến 0,15 lần/km²/ngày Kết quả này phản ánh giá trị trung bình của số lần sét đánh.
3.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây: a) Số lần sét đánh vào đường dây
Mật độ sét là đồng đều trên toàn bộ diện tích mà đường dây đi qua Số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm có thể được tính toán.
Trong đó: ms: mật độ sét vùng có đường dây đi qua nng s: số ngày sét trong một năm h: chiều cao trung bình của các dây dẫn (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
Tùy thuộc vào vị trí của sét đánh, điện áp quá mức trên cách điện đường dây sẽ có giá trị khác nhau Có ba khả năng phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét, trong đó sét có thể đánh vào đỉnh cột với giá trị dc N2.
N (3 – 3) c) Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn: dd
Trong đó 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 và được xác định theo công thức sau: lg 4
Với: hc: chiều cao của cột (m)
: góc bảo vệ (độ) d) Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt: dd 2 kv dc N
3.2.3 Số lần phóng điện do sét đánh
Khi bị sét đánh, quá điện áp có thể gây phóng điện qua cách điện của đường dây, bao gồm sứ và khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét Khả năng phóng điện được xác định bởi xác suất phóng điện, ký hiệu là \$p_d\$ Do đó, với số lần sét đánh \$N_i\$, số lần phóng điện tương ứng là \$p_{di} = N_i \cdot p_d\$.
Xác suất phóng điện pd phụ thuộc trị số của quá điện áp và đặc tính cách điện (V-s) của đường dây
(3 – 8) a) Số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây
Khi phóng điện xảy ra trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị ngắt nếu hồ quang tần số công nghiệp xuất hiện Xác suất hình thành hồ quang (\$η\$) phụ thuộc vào điện áp làm việc trên cách điện pha và độ dài cách điện của đường dây, và có thể được xác định theo bảng.
Bảng 3 - 1: Bảng xác suất hình thành hồ quang f ( E lv ) cs lv L lv
Với Ulv: điện áp pha làm việc.
Lcs : chiều dài chuỗi sứ
Ta có đồ thị như sau:
Hình 3- 1: Đồ thị f E( ) lv Đối với đường dây dùng cột gỗ tính theo công thức
Etb là cường độ trường trung bình trên tổng chiều dài cách điện (kV/m)
Vậy số lần cắt của đường dây tương ứng với số lần sét đánh Ni:
Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây: cd cdi n n (3 – 11) b) 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
Số lần cắt điện tổng cộng của đường dây: cd cdi n n (3 – 11) b) 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
Trong đó ns: số ngày sét trong một năm h: độ treo cao trung bình của dây dẫn
U50%: điện áp phóng điện 50% của chuỗi sứ
Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng là:
Đường dây 110kV trở lên có mức cách điện cao, dẫn đến suất cắt do quá điện áp cảm ứng có trị số nhỏ Do đó, trong tính toán, có thể bỏ qua thành phần này.
Tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đường dây
3.3.1 Mô tả đường dây cần bảo vệ a) Kết cấu cột điện
Hình 3-2: Sơ đồ cột lộ đơn 110kV.
Loại cột: sắt, mạch đơn
Chuỗi sứ: + Số lượng 7 bát
Loại 4,5 có chiều dài 1 bát sứ là 170mm Độ cao treo dây dẫn pha A là 21m, trong khi độ cao treo dây dẫn pha B và C đều là 16m Bên cạnh đó, cần chú ý đến dây dẫn và dây chống sét.
Dây dẫn AC – 240 có d = 21,6 mm
Dây chống sét C70 có d = 9,44 mm
Khoảng vượt lkv = 210 m c) Nối đất cột điện Điện trở nối đất cột điện Rc = 16
3.3.2 Độ võng, độ treo cao trung bình, tổng trở, hệ số ngẫu hợp của đường dây a) Độ võng của dây Độ võng của dây dẫn AC - 240: f dd 5 (m) Độ võng của dây chống sét: f dcs 4(m) b) Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A (h A tb ) Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha A là:
Tương tự ta có: Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha B và C là: 12,67 m
Góc bảo vệ pha B và C: B C 19 17' 0 Độ treo cao trung bình của dây chống sét:
(m) c) Tổng trở sóng của dây dẫn
Tổng trở sóng của dây dẫn được tính theo công thức:
Trong đó: r: bán kính dây dẫn h: độ treo cao trung bình của dây dẫn
Dây dẫn pha A là dây AC-240 có r = 10,8.10-3m nên:
Tổng trở sóng pha B(C): Tương tự ta có Z B dd Z C dd 465,63
Tổng trở sóng dây chống sét
Dây chống sét là dây C-70 có r = 4,72 10 -3 m
+ Khi không kể đến ảnh hưởng của vầng quang
+ Khi có kể đến ảnh hưởng của vầng quang Z cs vq Z cs
Với : là hệ số hiệu chỉnh khi xuất hiện vầng quang.
Tra bảng 3.3 sách Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA – Nguyễn Minh Chước ta có: 1,3
d) Hệ số ngẫu hợp l xà d 12
Hình 3-3: Sơ đồ xác đinh hệ số ngẫu hợp
Khi chưa có vầng quang thì hệ số ngẫu hợp K được tính như sau với dây dẫn
Trong đó: h2: độ treo cao của dây chống sét r2: bán kính của dây chống sét d12: khoảng cách giữa dây chống sét và dây dẫn
D12: khoảng cách giữa dây chống sét và ảnh của dây dẫn
Khi xét đến ảnh hưởng của vầng quang điện:
(3 – 16) + Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha A và dây chống sét
Với pha A ta có: Độ treo cao của dây dẫn h1 = 21m Độ treo cao của dây chống sét h2 = 26m Độ dài của xà lxà = 2,5m
+ Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn pha B(C) và dây chống sét
Tính toán tương tự ta có:
Khi tính toán chỉ tiêu chống sét ta chọn trường hợp nguy hiểm nhất để tính
Khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn ta chỉ xét cho pha A (pha có góc bảo vệ lớn nhất)
Khi sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét ta tính cho pha B hoặc C (pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ hơn)
Khi sét đánh vào đỉnh cột ta sẽ tính với pha có Ucđ(a,t) lớn nhất
3.3.3 Tính số lần sét đánh vào đường dây
Nếu gọi N là tổng số lần sét đánh trên đường dây và với nng.s = 85ngày/năm; hcs = 23,33 m ta có:
Ta lấy khả năng nguy hiểm nhất để tính N = 178,47 lần/100km năm dd dc kv
Trong đó: Ndd: số lần sét đánh vào dây dẫn
Nđc: số lần sét đánh vào đỉnh cột
Nkv: số lần sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét a) Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Trong trường hợp này ta tính với dây dẫn pha A Trước tiên ta cần đi xác định xác suất phóng điện với các thông số như sau: 26 33'; 0 h c 26m
Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét:
Số lần sét đánh vào dây dẫn:
N dd N (lần/100km năm) b) Số lần sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt
3.3.4 Suất cắt do sét đánh vào đường dây a) Suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Số lần cắt của đường dây: dd dd pd n N
Trong đó: pd là xác suất phóng điện được xác định như sau:
Thay vào ta được: pd e 26,1.485,59 4.660 0,812
: xác suất hình thành hồ quang f E( ) lv xác định như sau: lv lv pd
U kV lpd: chiều dài phóng điện, lấy bằng chiều dài chuỗi sứ l pd l su n lsứ: độ cao một bát sứ n: số bát sứ của chuỗi sứ
Từ đồ thị 3 1 và phương pháp ngoại suy ta có 0,62
0,571.0,812.0,62 0,287 n dd (lần/100km năm) b) Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét.
Khi sét đánh vào khoảng vượt, ta giả định rằng sét sẽ đánh vào chính giữa khoảng này, dẫn đến dòng điện sét được chia đều sang hai bên.
Hình 3- 4: Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét.
Lúc này trên dây chống sét và mỗi cột sẽ có dòng điện là
2 s i Khi tính toán ta cần tính với các giá trị khác nhau của dòng điện sét.
Giả thiết dòng điện sét có dạng sóng xiên góc với phương trình là:
t ds s ds ds a t khi i a khi
Khi đường dây tải điện bị sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét thì sẽ sinh ra các điện áp là:
- Điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét
- Điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ
Khi các điện áp đạt đến mức đủ lớn, chúng có thể gây ra hiện tượng phóng điện sét trên cách điện, dẫn đến việc cắt điện trên đường dây Chúng ta sẽ phân tích từng loại điện áp một cách chi tiết.
Điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét
Suất cắt điện xảy ra khi quá điện áp tác động lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét, đặc biệt là ở pha B hoặc C, do hệ số ngẫu hợp của hai pha này thấp hơn so với pha A.
Kvq: hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang a: độ dốc dòng điện sét l: khoảng vượt của đường dây
Từ đó ta có thể tính được xác suất phóng điện và tính các giá trị Npđ và npđ
Trong thiết kế và thi công đường dây, việc chọn khoảng cách giữa các dây là rất quan trọng để tránh hiện tượng chạm dây Điều này giúp giảm thiểu khả năng xảy ra phóng điện, và nếu có, xác suất hình thành hồ quang cũng rất thấp.
Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ
Khi có sét đánh vào khoảng vượt thì điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ là:
Trong đó: Ulv là điện áp làm việc:
Ta tính với Uđm = 110kV U lv 0,52.110 57,2( ) kV
Uc(t) là điện áp tại đỉnh cột:
Với dạng sóng xiên góc xét với thời gian t ds thì:
Trong đó: Rc là điện trở nối đất cột điện R C 16
Lc: điện cảm thân cột L C L h 0 C với L 0 0,6H m h; C 26m
Kvq: hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hưởng của vầng quang pha B(C) với dây chống sét K vq 0,212
Thay vào công thức 3-21 ta có:
Ta thấy Ucđ(t) = f(a,t) Vì vây ta cần kiểm tra với nhiều giá trị a, t như sau + Độ dốc a = 10, 20, 30, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 (kA/s)
Bảng 3- 2: Giá trị U cđ (a,t) tác dụng lên chuỗi sứ Độ dốc a kA s
6 6918,64 Đồng thời ta cũng có bảng đặc tính V-S của chuỗi sứ như sau:
Bảng 3-3: Đặc tính phóng điện của chuỗi sứ t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Dựa vào bảng 3.2 và 3.3 ta vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Ucđ(t) và đặc tính phi tuyến V-s của chuỗi sứ:
Từ đồ thị này ta xác định được các cặp thông số (Ii,ai) là giao của đường cong
Ucđ(t) và đặc tuyến V-S cho phép xác định đường cong nguy hiểm I = f(a), từ đó xác định miền nguy hiểm và xác suất phóng điện.
Bảng 3-4: Đặc tính xác suất phóng điện a t I (kV) A
Thông qua các kết quả tính toán cho ở bảng 3-4 ta có:
Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét
Để tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và khu vực lân cận, ta giả định rằng sét chỉ đánh vào đỉnh cột điện Trong trường hợp này, phần lớn dòng điện sét sẽ được dẫn vào hệ thống nối đất của cột điện, trong khi một phần nhỏ sẽ theo dây chống sét đến các bộ phận nối đất của các cột lân cận.
Hình 3-6: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét
Trong trường hợp này, cần tính toán suất cắt cho pha có điện áp lớn nhất Ucđ(t) max Do đó, việc tính toán điện áp đặt lên cách điện cho từng pha là cần thiết.
Ucđ(t) được xác định theo công thức sau:
(3 – 27) 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
(3 – 28) + Thành phần điện áp cảm ứng từ do hỗ cảm của dây dẫn và kênh sét gây ra
(3 – 30) Với: hdd là độ cao của dây dẫn
: hệ số vận tốc của dòng điện sét được lấy = 0,3 (với là vận tốc truyền sóng)
Khi tính toán với dạng sóng xiên góc is= a.t ta có thể tính theo công thức
(3 – 31) + Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích của dòng điện sét
Trong đó: a: độ dốc đầu sóng của sóng xiên góc
K: hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hưởng của vầng quang + Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trên dây chống sét gây ra
(3 – 34) + Thành phần điện áp làm việc
Để tính các thành phần điện áp trong các pha, cần xác định dòng điện vào cột ic(t) và thành phần biến thiên của dòng điện theo thời gian Việc tính toán dòng điện này có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét trong hai trường hợp khác nhau.
+ Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên cạnh về i c i s i cs i cs i c 2.i cs i s
Hình 3-7: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi chưa có sóng phản xạ
Trong đó: : điện cảm của cột
Rc: điện trở nối đất cột điện
Zcs: tổng trở sóng dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang
Từ sơ đồ ta tính được:
(3 – 38) + Khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về
Hình 3-8: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện sét khi có sóng phản xạ
Với: Lcs là điện cảm của một khoảng vượt của dây chống sét
(3 – 42) + Điện áp đặt lên cách điện pha A Để so sánh Ucđ(a,t) ta sẽ tiến hành so sánh với 1 giá trị cụ thể như sau: a = 10 ; t = 3
Ta có các thông số đối với pha A như sau.
Từ đó, chúng ta có thể xác định các giá trị của các thành phần điện áp Trong thời điểm này, sóng phản xạ từ cột lân cận xuất hiện, do đó điện áp đặt lên cách điện được tính toán theo sơ đồ hình 3-9.
- 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
Vây điện áp tác dụng lên cách điện pha A.
+ Điện áp tác dụng lên cách điện pha B hoặc C.
Tính toán tương tự pha A ta có:
Kết luận: Pha A có điện áp Ucđ(t) lớn hơn, do đó chúng ta sẽ tiếp tục thực hiện các tính toán về điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ trong trường hợp tổng quát với pha A.
Tính toán quá điện áp đặt lên chuỗi sứ Ucđ(a,t).
+ Thành phần điện áp cảm ứng do cảm ứng tĩnh điện giữa dây dẫn và điện tích dòng điện sét.
+ Thành phần điện áp cảm ứng do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét.
Kết quả tính toán với các a, t khác nhau cho ở bảng:
+ Thành phần điện áp giáng trên cột:
Xét trong 2 trường hợp sau:
- Khi chưa có sóng phản xạ về ( )
- Khi có sóng phản xạ về ( )
+ Thành phần điện áp do dòng điện sét đi trên dây chống sét gây ra,
Tương tự tính được ic(a,t) và như ở thành phần điện áp giáng trên thân cột:
- Khi chưa có sóng phản xạ về ( )
- Khi có sóng phản xạ về ( )
- Thành phần điện áp làm việc
Từ các thành phần điện áp ta tính được Ucđ(a,t),
Kết quả tính toán với các a,t khác nhau cho ở bảng:
10 1113,051 2168,903 3224,754 4280,606 5336,457 6392,309 7448,160 8504,012 9559,863 10615,715 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Ucđ(t) và đặc tính phi tuyến V–s của chuỗi sứ
Xác định xác suất phóng điện
Bảng 3-12: Đặc tính xác suất phóng điện a t I (kV) A
Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột:
(lần/100km.năm) Suất cắt tổng cộng do sét đánh vào đường dây
(lần/100km.năm) Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện
Suất cắt tại trạm là khá cao do vị trí nằm trong khu vực có nhiều ngày dông sét và cách điện của chuỗi sứ nhỏ, dẫn đến khả năng phóng điện cao Để giảm suất cắt, có thể tăng chiều dài chuỗi sứ từ 7 phần tử lên 8 hoặc 9 phần tử, tuy nhiên, điều này cũng làm tăng chi phí đầu tư Do đó, cần cân nhắc giữa đầu tư và thiết kế để đảm bảo an toàn cho đường dây mà vẫn tiết kiệm chi phí.
Tính toán khi tăng chuỗi sứ lên 8, 9 phần tử ta có: Đường đặc tính V-s của chuỗi sứ được xác định theo công thức:
Với n: chiều dài chuỗi sứ, (m)
- Khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét: Điện áp đặt lên cách điện của chuỗi sứ được biểu diễn trên hình sau:
Tính toán tương tự mục 3.3.4b ta có suất cắt trong trường hợp này:
- Khi sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột: Điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ được biểu diễn như hình sau:
Tính toán tương tự mục 3.3.4c ta được suất cắt trong trường hợp này:
Suất cắt tổng cộng do sét đánh vào đường dây trong 2 trường hợp:
(lần/100km.năm) Chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện
(năm/1lần cắt điện) + Khi đặt 9 sứ:
