Đồ án tốt nghiệp - Cao áp (P2) pps

Khi đường dây bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sét lớn tới mức làm cho quá điện áp xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kích của cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch đ

chương2:

TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY

Đường dây trong HTĐ làm nhiệm vụ truyền tải điện năng đến các hộ dùng điện Đường dây là phần tử phải hứng chịu nhiều phóng điện sét nhất so với các phần tử khác trong HTĐ Khi đường dây bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sét lớn tới mức làm cho quá điện áp xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kích của cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch đường dây, buộc máy cắt đầu đường dây phải tác động Như vậy việc cung cấp điện bị gián đoạn Nếu điện áp nhỏ hơn trị số phóng điện xung kích của cách điện đường dây thì sóng sét sẽ truyền từ đường dây vào trạm biến áp và sẽ dẫn tới các sự cố trầm trọng tại trạm biến áp Vì vậy bảo vệ chống sét cho đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế kết hợp với yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu cung cấp điện của đường dây đó

2.1- LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

2.1.1- Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét

Phạm vi bảo vệ của dây chống sét được thể hiện như ( hình 2-1 )

H×nh 2-2: Gãc b¶o vÖ cña mét d©y chèng sÐt.

Có thể tính toán được trị số giới hạn của góc α là α= 310 , nhưng trong thực

tế thường lấy khoảng α = 20 0 ÷ 250

2.1.2- Xác suất phóng điện sét và số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây

Với độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét )

là h, đường dây sẽ thu hút về phía mình các phóng điện của sét trên dải đất có chiều rộng là 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây (l) Từ số lần phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1 km2 ứng với một ngày sét là 0,1÷0,15 ta có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng vào đường dây (dây dẫn hoặc dây chống sét)

N=(0,6÷0,9) h 10-3.l.nng.s (2 – 3)

Trong đó:

+ h: độ cao trung bình của dây dẫn hoặc dây chống sét (m)

+ nng s:số ngày sét /năm trong khu vực có đường dây đi qua

Vì các tham số của phóng điện sét : biên độ dòng điện (Is) và độ dốc của dòng điện (a = dis /dt), có thể có nhiều trị số khác nhau, do đó không phải tất cả các lần có sét đánh lên đường dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện Chỉ có phóng điện trên cách điện của đường dây nếu quá điện áp khí quyển có trị số lớn

hơn mức cách điện xung kích của đường dây Khả năng phóng điện được biểu thị bởi xác suất phóng điện ( Vp đ ) Số lần xảy ra phóng điện sẽ là:

Npđ = N Vpđ = ( 0,6÷0,9 ) h 10-3 l nng s Vpđ ( 2 – 4 )

Vì thời gian tác dụng lên quá điện áp khí quyển rất ngắn khoảng 100 μs mà thời gian của các bảo vệ rơle thường không bé quá một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là khoảng 0,01s Do đó không phải cứ có phóng điện trên cách điện

là đường dây bị cắt ra Đường dây chỉ bị cắt ra khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện trở thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của đường dây đó Xác suất hình thành hồ quang (η ) phụ thuộc vào Gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện :

η = ƒ(Elv) ; Elv = Ulv/lpđ (kV/m )

Trong đó:

+ η: xác suất hình thành hồ quang

+ Ulv: điện áp làm việc của đường dây ( kV )

+ lpđ: chiều dài phóng điện ( m)

Do đó số lần cắt điện do sét của đường dây là:

Ncđ = Npđ η = (0,6÷0,9) h nng s Vpđ η (2 – 5)

Để so sánh khả năng chịu sét của đường dây có các tham số khác nhau, đi qua các vùng có cường độ hoạt động của sét khác nhau người ta tính trị số " suất cắt đường dây" tức là số lần cắt do sét khi đường dây có chiều dài 100km

ncđ = ( 0,06÷0,09) h nng s Vpđ .η (2 – 6)

Đường dây bị tác dụng của sét bởi ba nguyên nhân sau:

+ Sét đánh thẳng vào đỉnh cột hoặc dây chống sét lân cận đỉnh cột

+ Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn

+ sét đánh vào khoảng dây chống sét ở giữa khoảng cột

Cũng có khi sét đánh xuống mặt đất gần đường dây gây quá điện áp cảm ứng trên đường dây, nhưng trường hợp này không nguy hiểm bằng ba trường hợp trên Khi đường dây bị sét đánh trực tiếp sẽ phải chịu đựng toàn bộ năng lượng

của phóng điện sét, do vậy sẽ tính toán dây chống sét cho đường dây với ba

trường hợp trên Cuối cùng ta có số lần cắt do sét của đường dây

2.1.2.1 - Các số liệu chuẩn bị cho tính toán

Đường dây tính toán l = 150km (Ninh Bình – Hà Đông)

Xà đỡ kiểu cây thông, lắp trên cột bê tông đơn

Dây chống sét treo tại đỉnh cột

Dây dẫn được treo bởi chuỗi sứ Π- 4,5 gồm 7 bát sứ, mỗi bát sứ cao170mm

Dây chống sét dùng dây thép C-70 có d = 11mm ; r = 5,5mm

Dây dẫn dùng dây AC-120mm có d = 19mm; r = 9,5mm

Khoảng vượt là 150m

2.1.2.2 - Xác định độ treo cao trung bình của dây chống sét và dây dẫn

Độ treo cao trung bình của dây được xác định theo công thức:

hdd = h – 2/3f (2 – 8)

Trong đó:

+ h: độ cao của dây tại đỉnh cột hay tại khoá néo của chuỗi sứ

+ f: độ võng của dây chống sét hay dây dẫn

+ Khi có vầng quang, ta phải chia Zdcs cho hệ số hiệu chỉnh vầng quang

λ = 1,3 ( tra bảng 3-3 sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp)

Zdvqcs = Zdcs / λ = 517/1,3 = 397,69 Ω

2.1.2.4 - Hệ số ngẫu hợp giữa dõy dẫn chống sột với cỏc dõy pha

Cụng thức (2 – 11) được xỏc định theo hỡnh (2 – 4)

Hình 2-4: Phép chiếu gương qua mặt đất

r

hln

d

Dln

22 2 12

12

ư

=

Trong đú:

+ h2: độ cao trung bỡnh của dõy chống sột

+ D12: khoảng cỏch giữa dõy pha và ảnh của dõy chống sột

+ d12: khoảng cỏch giữa dõy chống sột và dõy pha

+ h1: độ cao trung bỡnh của dõy dẫn pha

+ λ: hệ số hiệu chỉnh vầng quang (λ = 1,3)

Theo kết quả tớnh trước ta cú:

hddA = 10,8m ; hddB = hddC = 7,8m ; hddcs = 15,2m

Áp dụng định lý Pitago ta cú khoảng cỏch từ dõy chống sột đến cỏc dõy pha

và từ dõy pha đến ảnh của dõy chống sột như hỡnh ( 2 – 5) Với pha A:

,)

IA()ID(

d12 = 2 + 2 = 422 +152 =446

D'K

BC

Hình 2-5: Xác định khoảng cách theo phép chiếu gương qua mặt đất

m,,

)IE()IA(

D12 = 2 + 2 = 152 +242 =24046

Với pha B,C:

m,,

,)

IB()ID(

d12 = 2 + 2 = 722 +1752 =741

m,,

)IE()IB(

Hệ số ngẫu hợp giữa pha A và dõy chống sột : ỏp dụng cụng thức (2 – 11):

1055

2152

464

524

3

,

,

,.ln,

,ln

ư

Khi cú vầng quang: KA-csvq = KA-cs λ = 1,3 0,19768 = 0,257

Hệ số ngẫu hợp pha B (hoặc pha C )với dây chống sét:

1010

55

2152

417

0818

3

,

,

,.ln,

,lnK

024

51

,,

,

,

06613243

027

751

,,

,

,tg

2.1.2.6- Số lần sét đánh vào đường dây

Áp dụng công thức (2-4) với l = 100km ; hddcs = 15,2 m ; nng.s= 70ngày/ năm

490

hV

lg α =α cs − (2-15)

Trong đó:

α: góc bảo vệ của dây chống sét ( độ)

hcs : chiều cao cột đỡ dây chống sét ( m)

Khi dõy dẫn bị sột đỏnh, dũng trờn dõy dẫn là IS/4, vỡ mạch của khe sột sẽ được nối với tổng trở súng của dõy dẫn cú trị số như hỡnh (2 – 6 )

Hình (2 – 6): Dòng điện sét khi sét đánh vμo dây dẫn

Cú thể coi dõy dẫn hai phớa ghộp song song và Zdd = (400ữ500) Ω nờn dũng điện sột giảm đi nhiều so với khi sột đỏnh vào nơi cú nối đất tốt Ta cú dũng điện sột ở nơi đỏnh là:

ZZ

ZI

dd

22

dd

s

% s

e

s

% 50 s

Z 1 , 26 U 4 1

, 26 I

Xác suất hình thành hồ quang η phụ thuộc vào gradien của điện áp làm việc

)172()

m/kV(l

UE

pd

lv

+ lpđ: Chiều dài đường phóng điện lấy bằng chiều dài chuỗi sứ ( m )

+ Ulv: Điện áp pha của đường dây

)m/kV(,

,

213

UE

Ta có suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:

ndd = Nvα vpđη (2 – 18)

η0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

và pha C để tính suất cắt cho đường dây

Pha A có αA = 19,65 0; hddA = 10,8m

ZddA = 463,75 Ω ; hcs= 16,2m

Thay các số liệu trên vào công thức ( 2 – 12 ) ta có:

310756012

3490

21665

660 4 1

26

4 1

26

50

,e

ee

Z

,

U ,

I

s

% s

U50%c = 660kV đối với đường dây 110kV [ tra bảng ( 9 – 5) Kỹ thuật điện

Trong 48 lần sét đánh vào khoảng vượt thì xác suất hình thành hồ quang khi

phóng điện đã được xác định tại mục [ 2.2 ] bằng phương pháp nội suy trên hình (2-7) được η = 0,63 Suất cắt của đường dây 110kV do sét đánh vào khoảng

vượt như sau:

nkv = Nkv Vpđ η (2 – 20)

Để tính Vpđ ta phải xác định xác suất phóng điện trên cách điện của đường

dây

2.3.1- Phương pháp xác định Vpđ

Ta coi dòng điện sét có dạng xiên gócvới biên độ Is = a t

Quá điện áp sét xuất hiện trên cách điện của đường dây gồm hai thành phần:

lv cd

+ Ulv : điện áp làm việc của đường dây

Xác suất các dòng điện sét có biên độ I ≥ Is và độ dốc a ≥ as là:

) ,

a ,

I ( a

,

I

s se

+

−

= (2 – 22)

Tại thời điểm ti nào đó điện áp trên cách điện lớn hơn hoặc bằng điện áp

chịu đựng cho phép của cách điện, lấy theo đặc tính vôn – giây (V- S) của chuỗi

sứ, thì phóng điện sẽ xảy ra:

′

=

i i i

i pd lv

i i cd i

cd

taI

)t(UU

)a

;I.(

U)t(

U

( 2 – 23)

Upđ(ti) điện áp phóng điện lấy theo đặc tính vôn giây ( V – S ) tại ti

Do coi dòng điện có dạng I = a t thì thành phần Ucđ' (I,a) tỷ lệ với độ dốc a

U)t(U

a

i cd

lv i

MiÒn nguyhiÓm

Ia

H×nh (2 – 8): §−êng cong nguy hiÓmXác suất phóng điện được tính theo xác suất xuất hiện ở miền bên phải phía trên đường cong nguy hiểm ở hình (2 – 8)

Từ đường cong nguy hiểm ta có thể xác định được:

, I i

i i

eV

;eV

( 2 – 29 )

<

=

ds ds

ds s

t nÕu

a

t nÕutaI

Ta sẽ tính toán Is ứng với các giá trị trong bảng (2 – 1) sau đây:

c c

dt

t.ad.LRt

=

22

kV,

.,U

.U.dt sin.U.U

lv

lv

17573

21101432

3

22

3

210

Từ biểu thức ( 2 – 32 ) ta thấy khi Kvq nhỏ thì Ucđ lớn do vậy theo tài liệu

“hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp cao áp” thì khi tính toán phải tính với pha có hệ

số ngẫu hợp nhỏ nhất ở mục ( 2.1.3.3 ) ta có:

130257

KvqA−cs = Bvq−cs = vqC−cs =

Ta tính Ucđ với Kvq = 0,13; Rc = 20 Ω

Ucđ = a/2 (20 t + 9,72 ) (1- 0,257) + 57,17 (kV)

Cho các giá trị a khác nhau ta tính được điện áp đặt lên chuỗi cách điện của

đường dây như trên bảng ( 2 – 2 )

Bảng ( 2 – 2 ): Giá trị U cđ khi sét đánh vào khoảng vượt, khi độ dốc a thay đổi và ở các thời điểm khác nhau với R c = 20 Ω

Đặc tuyến vôn – giây (V-S) của chuỗi sứ được tra trong bảng 25 sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp

Bảng ( 2 – 3 ): Đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện

10 20 30 40 50 60 70 80 90

a (kA/μs)

Hình(2 –10): Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng

vượt

Trong hình 2-11 dưới đây ta lưu ý các điểm sau :

- Xác suất phóng điện Vpđ là xác suất mà tại đó có các cặp thông số (Ii;ai) thuộc miền nguy hiểm

dVpđ = P (a ≥ ai) P (I ≥ Ii ) ( 2 – 33 )

Trong đó:

+ P(I ≥ Ii ): là xác suất để cho dòng điện I lớn hơn giá trị dòng điện Ii nào đó + P(a ≥ ai): là xác suất để cho độ dốc a lớn hơn giá trị ai nào đó để gây ra phóng điện

Hình 2–11: Điện áp đặt lên cách điện của đường dây khi sét đánh vào

khoảng vượt U cđ (a,t) với R c = 20 Ω và đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện U pđ (t)

Bằng phương pháp sai phân xác định được:

a=10kA/μs

a=40kA/μs a=50kA/μs a=60kA/μs a=70kA/μs a=80kA/μs

i i

eV

;eV

Ta được các kết quả như bảng (2 – 4 ) Tính được Vp.đ = 0,00767

2.3.3- Tính suất cắt tổng do sét đánh vào khoảng vượt đường dây tải điện 110kV

Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt được xác định theo công thức:

2.4.1- Lý thuyết tính toán

Khi sét đánh vào đỉnh cột đường dây có treo dây chống sét, đa số dòng điện sét sẽ đi vào đất qua bộ phận nối đất của cột, phần còn lại theo dây chống sét đi vào các bộ phận nối đất của các cột lân cận

Điện áp trên cách điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột có treo dây

chống sét là:

lv cs

d cu is

dd iC

dd c c c

dt

d)t(Mdt

dLRi)

t

(

Trong biểu thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện gồm:

+ Thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng sét

đi trong cột gây ra:

dt

dLR

Mdd is+

giữa dây dẫn và kênh sét gây ra:

d cuU+

+Thành phần điện áp do dòng điện đi trong dây chống sét gây ra, k là hệ

số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét : kUcs

+Điện áp làm việc trung bình của đường dây : Ulv

Dấu trừ (-) thể hiện điện áp này ngược dấu với thành phần điện áp khác trong công thức (2 – 36).Vì vậy thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện khi bị sét đánh

2.4.1.1- Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột gây ra

Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột và điện áp trên dây chống sét liên quan với nhau vì chúngphụ

( 2 – 36 )

thuộc vào điện áp đi trong cột và dây chống sét Để tính toán các thành phần này

có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét Ta chia làm hai trường hợp:

a/ Trường hợp 1: Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên trở về:

β: tốc độ phóng điện ngược tương đối của dòng sét

Sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét như hình ( 2 – 13 )

Δ

−β+

+

h

Hlnh2

hH

)

1(

Htvln.h.2,0)t

(

M

cs cs

Z dt

di t

M cs( ) s2ics

Rc

cs c

L

is

ic

h

Hlnh2

hr

H2lnh.2,0L

dd td

dd

dd

Khi tính cho dây chống sét ta chỉ việc thay hdd bởi hcs

rtd: Bán kính tương đương của dây tiếp địa từ cột xuống cọc nối đất chính là dây dẫn dòng sét trong thân cột

Từ sơ đồ thay thế dây chống sét được biểu thị bởi tổng trở sóng của dây chống sét, có xét đến ảnh hưởng của vầng quang Từ sơ đồ hình ( 2 – 13 ) ta viết

hệ phương trình như sau:

=+

++

(**)t

aiii

(*)

Z.i)t(M.adt

di.LR

i

s cs c

vq cs s cs

c cs c c

2

02

vq cs cs

vq cs vq cs c

Z)t(MtZZ

a)

vq cs c

cs c c

vq cs

R.Z

Z.adt

di

L

R.Z

2

2

21

+

=

+

=α

Tổng trở sóng của dây chống sét Zcs được xác định bởi:

tb cs cs

r

h.ln

ds

r

fh

h

cs

cs cs

Điện áp giáng trên dây chống sét Ucs (t) =ics (t).Zcs

b/ Trường hợp 2: Khi có sóng phản xạ từ cột bên trở về: t > 2l kv / v:

Trường hợp này tính chính xác phải áp dụng phương pháp đặc tính, ở đây để đơn giản ta tính gần đúng tức là có thể thay dây chống sét bằng điện cảm tập trung nối tiếp với điện trở của đất của hai cột bên cạnh như hình ( 2 – 14 )

2ics

2

csL

dt

dit

Mcs( ) s2ics

Rc

cs cL

is

ic

2

csR

Hình 2–14: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ

Từ sơ đồ ta xác định được:

)(

e R

)t(ML

.adt

di

)(

)e.(

R

)t(ML

.a)

t

(

i

t cs

cs c

t cs

cs c

4322

2

4221

22

cs LL

R2

22

+

=

α

2.4.1.2-Thành phần điện của điện áp cảm ứng

Khi không có dây chống sét:

HtV.htV.htVln.a.h.,)t

(

1

10

Δβ+

+Δ

++

o cu

d

cu

h

hK1)

t(U)t

h

Hln.h

hH

)

(

Htvlnh,)t(

M

dd dd

21

Δ

−β+

Từ đây ta có xác suất phóng điện là:

)472( V

.V

Lcdd = Lo.hdd = 0,6.12 = 7,2μH với Lo là điện cảm đơn vị dài thân cột

v = β.c = 0,3.300 = 90 m/μs là vận tốc phóng điện ngược của dòng điện sét (theo sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp ta có β = 0,3 ; c là vận tốc ánh sáng c = 300m/μs)

Ulv vận tốc trung bình của đường dây

kV,

3

1102

2.4.2.1- Điện áp giáng trên chuỗi cách điện của pha A

a/ Thành phần điện của điện áp cảm ứng:

Thay công thức( 2 – 43 ) vào công thức ( 2 – 44 ) ta có:

)(

H.h.h.)(

)Htv).(

htv()

htv(ln.a.h.,.h

h.K)

t

(

U

c c

A dd A

dd

cs d

1

101

+

+Δ

++

22812

2

24228301

22839012

2

,

,ln

,,

)

,(

,

ln ,)t(

+

=

a =dis/dt : độ dốc đầu sóng của sét

dic/dt: tốc độ biến thiên của dòng điện đi trong thân cột có xét tới sự thay đổi trước và sau phản xạ của sóng sét từ cột lân cận trở về

c/ Điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện sét đi trong dây chống sét K.Ucs(t).:

dt

di)

t(Mdt

di.LR.i)t(

Ucs = s s + csc c + cs c

Lccs = Lo hcs = 9,72μH

- Ta phải tìm ic và dic /dt trong hai trường hợp:

+ Trường hợp 1: Trước khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về đó là khoảng thời gian t ≤ 2.lkv /c (lkv = 150m là chiều dài khoảng vượt )

vq cs cs

vq cs vq cs c

Z)t(MtZZ

a)t(i

c

vq cs

vq cs c

R.Z

Z.adt

di

2+

cs c c

vq cs

L

R.Z

2

2

α

Nhận xét: Khi R; a; t thay đổi thì ic (t) và dic /dt thay đổi

+ Trường hợp 2: Khi có sóng sét phản xạ từ cột lân cận trở về :