BÀI GIẢNG CUNG CẤP ĐIỆN 2 ( GV Nguyễn Quang Thuấn ) - CHƯƠNG 9 pps

Theo đà tích luỹ các điện tích âm của đám mây, cường độ điện trường của tụ mây-đất sẽ tăng dần lên và nếu tại chỗ nào đó cường độ điện trường đạt tới trị số tới hạn 25  30 KV/cm thì khô

Chương 9 BV QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN

2 Sự hình thành sét: Sự hình thành sét gắn liền với sự hình thành các

đám mây giông Các đám mây giông tạo thành do các luồng khôngkhis nóng ẩm từ mặt đất bốc lên đi vào vùng nhiệt độ âm, hơi nước ngưng tụ thành các tinh thể băng Các đám mây mang điện là

do kết quả của các luồng không khí mãnh liệt tách rời nhau tạo ra các điện tích trái dấu và tập trung chúng trong các phần khác nhau của đám mây

Các kết quả quan trắc cho thấy, 80% phần dưới của mây có cực tính

âm, còn ở phần trên của đám mây thường tích các điện tích dương

9.1 SÉT VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN SÉT

3 Quá trình phóng điện của sét

Phần dưới các đám mây giông được tích điện âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ Theo đà tích luỹ các điện tích âm của đám mây, cường độ điện trường của tụ mây-đất sẽ tăng dần lên và nếu tại chỗ nào đó cường độ điện trường đạt tới trị số tới hạn 25  30 KV/cm thì không khí sẽ bị ion hoá tạo thành dòng plasma và bắt đầu trở nên dẫn điện, mở đầu cho quá trình phóng điện của sét

Phóng điện sét có thể chia làm 3 giai đoạn chính:

 Phóng điện tiên đạo

 Phóng điện ngược (phóng điện chủ yếu)

 Kết thúc quá trình phóng điện

Các giai đoạn phóng điện có thể hình dung qua dòng điện sét biến thiên theo thời gian như hình vẽ (trang bên)

3 Quá trình phóng điện của sét

9.2 THAM S Ố CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT

Dòng điện sét được ghi lại bởi các

máy hiện sóng cực nhanh có dạng

đường hình vẽ.

Hai tham số quan trọng nhất của

phóng điện sét là biên độ dòng điện

sét IS và độ dốc đầu sóng a

1 Biên độ dòng điện sét

Kết quả đo lường cho thấy biên độ

sét IS biến thiên trong phạm vi

30

lg S I

9.2 THAM S Ố CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT

2 Độ dốc đầu sóng

 Trong trường hợp tổng quát, độ dốc đầu sóng a được định nghĩa là đạo hàm của dòng điện sét theo thời gian:

) /

( kA s dt

di

7 , 15 36

10

a a

Khi tính toán, đầu sóng dòng điện sét thường được thay bằng đường thẳng xiên góc có độ dốc trung bình:

s kA

I a

e v







9.2 THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT

• Trong tính toán có khi cần phải đồng thời xét đến cả hai yếu tố: Biên

độ dòng điện sét và độ dốc đầu sóng, ta dùng xác suất phối hợp:

 Đối với vùng đồng bằng:

) 7 , 15 26

( )

, ( ln :

) 36 60

( )

, (

lg v is a   is  a hay v is a   is  a

 Đối với vùng miền núi:

) 18 30

( )

, (

lg v is a   is  a

9.3 CƯỜNG ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA SÉT

Cường độ hoạt động của sét tại các vùng lãnh thổ (hoặc khí hậu) cóthể được biểu thị thông qua 2 đại lượng nngs và mS

• Số ngày sét trong năm nngs

< 5Vùng khí hậu hàn đới

30  50Vùng khí hậu ôn đới

60  100Vùng khí hậu nhiệt đới

100  150Vùng xích đạo

N ngs (ngày/năm) Vùng lãnh thổ

Theo đề tài KC.03.07 nước ta có: nngs = 100; nngsmax = 114

• Mật độ sét mS (là số lần có sét đánh trên 1km2 diện tích ứng với 1 ngày có sét)

Thường mS = 0,1  0,15

Vậy số lần sét đánh trên diện tích 1km2 mặt đất trong 1 năm sẽ là:

9.4 TÁC HẠI CỦA SÉT VÀ ND CƠ BẢN BẢO VỆ CS

9.5 B.VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

1 Khái quát chung

Để hạn chế thiệt hại về người và của do sét đánh trực tiếp có nhiều biện pháp ngày càng hoàn thiện nhưng đều dựa vào nguyên lý cổ điển do Franklin phát minh ra vào năm 1752, đó là: dùng vật thu sét (kim thu sét, dây thu sét, ) đặt cao hơn vật cần bảo vệ rồi nối với hệ thống nối đất có điện trở nhỏ bằng các dây (hoặc thanh) dẫn kim loại có tiết diện hợp lý để tản dòng điện sét

Mục đích dùng các vật đặt cao hơn công trình, thiết

bị là để khi xuất hiện hiện mây giông, các vật thu này sẽ tập trung điện tích từ mặt đất, tạo nên một cường độ điện trường lớn giữa vật thu sét và mây sẽ định hướng phóng điện về phía mình để tạo nên một không gian an toàn cho công trình, thiết bị cần bảo vệ

1 Khái quát chung (tiếp)

Cột thu sét thường dùng để bảo vệ các công trình, thiết bị, nhà xưởng chống sét đánh thẳng, ngoài ra người ta còn có thể dùng phối hợp với dây chống sét

Đối với các đường dây tải điện trên không dùng DCS

Để bảo vệ chống sét các đường dây tải điện, nên treo dây chống sét trên toàn bộ tuyến đường dây là tốt nhất trong việc bảo đảm vận hành an toàn và liên tục cung cấp điện nhưng làm như vậy rất tốn kém

Trong thực tế, tuỳ theo tầm quan trọng của đường dây mà người ta

có thể bố trí dây chống sét trên toàn tuyến hay không:

 Thường các đường dây có điện áp 110 KV trở lên được bảo vệ trên toàn tuyến đồng thời được phối hợp với khe hở phóng điên, chống sét ống hoặc tăng số lượng bát sứ ở những nơi hay bị sét đánh, cột vượt cao và chỗ giao chéo với đường dây khác hay ở những đoạn nối với trạm

 Các đường dây điện áp đến 35KV ít được bố trí bảo vệ trên toàn tuyến mà bảo vệ trên các đoạn hay bị sét đánh và đoạn 1  2 km trước khi nối với trạm biến áp

2 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét (Franklin)

Khoảng không gian gần cột thu sét mà vật được bảo vệ đặt

trong đó, rất ít khả năng bị sét đánh gọi là vùng hay phạm vi bảo vệ

của cột thu sét

h r

2h/3

Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét

theo thực nghiệm

P h

h

h r

x

a x



 1

6 , 1

Trên cơ sở nghiên cứu các mô hình, người ta thấy rằng phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được giới hạn bởi hình nón tròn xoay có đường sinh gãy khúc ở độ cao 2h/3 (hv) Bán kính bảo vệ của cột thu sét rx bảo vệ vật

ở độ cao hx được xác định bởi công thức sau:

m

h h

P  5 , 5 khi  30

P = 1 khi h  30m

b Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét

rx

hx

h 2h/3

1,5h 0,75h

0,75h 1,5h

a

1

2

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét

đã đơn giản hoá

: 3

2

h

h h

Khi x 



: 3

2

h

h h

Khi x 



P h

1 1,5h

rx

P h

c Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét

 PVBV của hai cột thu sét cao bằng nhau:

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số PVBV của hai cột thu sét đơn nếu hai cột đặt cách nhau một khoảng a < 7h.

a h

a h

a

a x

 Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:

PVBV của hai cột thu sét không cao bằng nhau

a'

K

d Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

D  8ha

D  8ha

Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sétPhạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét

3 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét

: 3

2

h

h h

Khi x 



P h

1 1,2h

bx

: 3

2

h

h h

Khi x 



hx

h 2h/3

0,6h 1,2h

1 Phạm vi bảo vệ của 1 dây thu sét

hx 



P h h

h b

x

a x



 1

8 , 0

h0= h-a/4 hx

0,2h

0 R

vi bảo vệ mà biểu thị bằng góc bảo vệ .

Có thể tính toán được trị số của góc  là 310 (tg = 0,6)

Thực tế đường dây sẽ được bảo vệ khi: 200 < gh < 300

2 Dây chống sét càng cao, phạm vi bảo vệ càng lớn Tuy nhiên xác suất đánh vòng v qua dây chống sét lại cao Theo kinh nghiệm vận hành, xác suất này được xác định như sau:

4 90

lg v   h 



 là góc bảo vệ; h là chiều cao dây thu sét

9.6 MỘT SỐ ĐẦU THU SÉT THẾ HỆ MỚI

Hiện nay, người ta cải tiến kim thu sét nhọn kiểu Franklin thành các loại chính sau:

• Đầu thu phóng điện sớm

• Đầu thu Laser

• Đầu thu dùng chất phóng xạ (bị cấm sử dụng năm 95)

3.4.1 Đầu thu phóng điện sớm

Xuất hiện vào khoảng những năm 60-70 của thế kỷ 20 Nguyên lý chung của loại này như sau:

• Khi tia tiên đạo của đám mây giông xuất phát hướng về phía mặt đất thì đầu thu phóng điện sớm có điện tích cảm ứng và có một điện trường tích luỹ một năng lượng trong bộ phận ion hoá.

Khi tia tiên đạo xuống gần, năng lượng trong bộ phận ion hoá tăng nhanh và đột ngột Bộ phận ion hoá giải phóng năng lượng tạo ra nhiều ion và phát triển thành tia mở đường đi lên chủ động đón tia

tiên đạo của đám mây giông Nhờ đó PVBV được

mở rộng.

Cột

TS PVBV cột TS

PVBV của đầu phóng điện sớm

1 Đầu thu phóng điện sớm

1 Đầu thu phóng điện sớm

Thuộc loại này có các đầu thu:

Prevercton-2

1 Hệ thống thu sét trung tâm

2 Hệ thống các điện cực phía trên

3 Hộp bảo vệ bằng đồng và thiết bị tạo ion

4 Hệ thống các điện cực phía dưới

Và một số loại đầu thu khác giới thiệu

sau đây:

CÁC LOẠI ĐẦU THU SÉT DO T DO INDELEC CHẾ TẠO

CÁC LOẠI ĐẦU THU SÉT DO T DO INDELEC CHẾ TẠO

1 Đầu thu phóng điện sớm

) 2

( )

2

h

rx  a  a    

ha - chiều cao hiệu dụng của đầu thu sét

D = 20, 45, 60m tuỳ theo cấp cấp BV (I, II hay III)

L = V (m/s).T (s) = 106 T

Với T là độ lợi về thời gian của từng loại đầu TS

Ví dụ: Loại S4.50 có T = 50; Loại TS2.25 có T = 25,…

2 Đầu thu Laser

Loại đầu thu này do kỹ sư Leonard và Ball thiết kế, thử nghiệm vào những năm 70 thế kỷ 20

Khi có giông sét, đầu thu Laser có khả năng tạo ra một dòng ion để hướng tia tiên đạo từ đám may giông từ độ cao hàng nghìn mét đi xuống

Loại đầu này tuy có hiệu quả thu sét cao, nhưng giá thành cao và

bộ phận laser dẽ bị hỏng khi sét đánh vào

Ngoài các cải tiến đầu thu để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp như

đã nêu, hiện nay người ta còn sử dụng biện pháp khác là dùng dàn tiêu huỷ sét (dùng thiết bị chống sét bằng cách trung hoà ion): Khi xuất hiện mây giông đến gần, mũi nhọn của thiết bị trung hoà ion phóng lên đám mây để trung hoà điện tích của đám mây này, làm giảm cường độ điện trường của đám mây ngăn không cho đám mây giông hình thành tia tiên đạo phóng xuống công trình.

Giá thành: Truy ền thống X; Thu sét cải tiến 2X; Dàn tiêu huỷ 3X.

9.7 CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI BVCS ĐÁNH TRỰC TIẾP

1 Công trình cần BVCS phải nằm trong PVBV của HT thu sét

2 Hệ thống nối đất phải có điện trở tản nhỏ

3 Dây dẫn (thanh dẫn) nối hệ thống thu sét với hệ thống nối đất phải có

tiết diện đủ lớn thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng sét chạy qua và nó cũng cần được bảo vệ chống an mòn

4 Khoảng cách từ hệ thống thu sét đến các công trình cũng như khoảng

cách trong đất của HT nối đất chống sét và nối đất an toàn phải đủ lớn

để không gây phóng điện ngược

 Có thể đặt đầu thu sét trên các kết cấu của các công trình cần bảo vệ

và HTNĐ AT dùng chung với HTNĐCS khi thỏa mãn 2 điều kiện:

- ĐTBV có cách điện xung cao

- Vùng có điện trở suất và điện trở nối đất nhỏ (ρ<1000Ωm; R≤4Ω)

 Khi các điều kiện trên không thảo mãn, thì phải dùng cột CS đặt cách

ly với đối tượng cần bảo vệ

- Khi sét đánh vào cột thu sét, điện thế tải điểm A trên thân cột (tương ứng với độ cao lớn nhất của vật cần bảo vệ) được tính theo:

CẤP BẢO VỆ THEO TC: 20TCN-46-84

Theo tiêu chuẩn 20 TCN-46-84 các công trình, nhà được phân thành 3 cấp Khi thiết kế chống sét, tùy theo cấp của công trình mà áp dụng các phương thức bảo vệ tương ứng.

- Công trình cấp I: là những công trình, nhà trong đó có tỏa ra các loại hơi, khí

bụi cháy; đồng thời khi kết hợp với không khí có thể tạo thành hỗn hợp nổ trong chế độ vận hành bình thường

Đối với các công trình loại này, phải áp dụng phương thức bảo vệ toàn bộ, tức toàn bộ công trình phải nằm trong phạm vi bảo vệ của bộ phận thu sét; đồng thời phải đặt vật thu sét độc lập hay cách ly với công trình.

- Công trình cấp II: là những công trình, nhà có tính chất như cấp I nhưng chỉ

xảy ra nổ khi có sự cố hay làm sai quy trình Các kho vật liệu dễ cháy, nổ thuộc công trình cấp II.

Công trình thuộc cấp II, phải áp dụng phương thức bảo vệ toàn bộ và có thể dùng loại thu sét độc lập, cách ly hoặc đặt trực tiếp trên công trình

- Công trình cấp III: là các công trình, nhà còn lại.

Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình thuộc loại này, yêu cầu: + ở những nơi tập trung đông người: cần phải được bảo vệ toàn bộ;

+ ở những nơi tập trung ít người: cho phép bảo vệ trọng điểm.

Bảo vệ trọng điểm là đặt bộ phận thu sét ở những chỗ nhô cao, nhô ra của

9.8 BẢO VỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

1 Mở đầu

chống sét (lightning arrester) như: khe hở phóng điện, chống sét ống và chống sét van

• Các thiết bị chống sét được nối song song với thiết bị cần

bảo vệ để đón sóng quá điện áp khí quyển truyền từ các đường dây vào thiết bị cần bảo vệ Khi có sóng quá điện áp, các thiết bị chống sét sẽ phóng điện làm giảm biên độ quá điện áp đặt lên cách điện không gây hỏng cách điện và do đó

sẽ an toàn cho thiết bị cần bảo vệ.

2 Các yêu cầu đối với thiết bị chống sét

Để thực hiện được nhiệm vụ trên, các thiết bị chống sét phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

2 Các yêu cầu đối với thiết bị chống sét (tiếp)

1) TB CS phải có đặc tính V-S

nằm dưới đặc tính V-S của

cách điện thiết bị cần bảo vệ

2) Sau khi các thiết bị chống sét

phóng điện (làm việc), cần phải

đảm bảo điện áp dư đủ nhỏ

không gây ảnh hưởng đến cách

điện của các phần tử trong

mạng điện

3) Thiết bị chống sét có khả năng dập tắt nhanh hồ quang của dòng điện xoay chiều để khi hết quá điện áp hồ quang bị dập tắt trước khi bảo vệ rơle tác động đảm bảo tính cung cấp điện liên tục

4) Thiết bị bảo vệ chống sét không được làm việc với đa số các loại quá điện áp nội bộ (vì khi làm việc thiết bị chống sét thường sẽhỏng)

U

t0

tcs ttb

cs tb

3 KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Khe hở phóng điện (còn gọi là chống sét sừng) có cấu tạo gồm hai điện cực kim loại (thường là thép) đặt cách nhau một khoảng s Một điện cực nối với mạch cần bảo vệ còn cực kia nối với đất Khe hở s giữa hai điện cực được chọn sao cho với điện áp bình thường không gây phóng điện nhưng khi có quá điện áp thì sẽ gây ra phóng điện

để tản dòng điện sét xuống đất

200 140

35

180 120

22

50 30

10

40 20

6

Bảo vệ phụ Bảo vệ chính

S (mm) Điện áp định

mức, kV

3 KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN

b Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

- Không có bộ phận dập hồ quang, nên khi làm việc với dòng sét lớn

hồ quang duy trì lâu trở thành ngắn mạch, thiết bị bảo vệ rơle sẽ tác động cắt mạch không cần thiết

Đặc tính V-S rất dốc nên không bảo vệ được các máy điện có cách điện thấp như: máy biến áp, máy phát điện, …

- Thường được đặt ở những nơi xung yếu của đường dây như chỗgiao nhau giữa các đường dây, đoạn đường dây trước khi nối với trạm biến áp

- Chỉ được dùng làm bảo vệ phụ trong các sơ đồ chống sét các phần

tử hệ thống điện và được sử dụng làm một bộ phận trong các thiết bị

4 CHỐNG SÉT ỐNG (CSÔ)

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc

• C ấu tạo: Gồm 2 khe hở phóng điện S1 và S2 Trong đó S2 được đặt trong

ống làm bằng vật liệu sinh khí như Phibrô Bakêlít hoặc Phinipơlát

S2

S1Điện cực Vỏ

Đường dây

Us

Udư TBA

• Nguyên lý làm vi ệc: Khi xuất hiện sóng quá điện áp thì cả 2 khe hở phóng

điện S1 và S2 đều phóng điện để dẫn dòng điện sét xuống đất Dưới tác động của hồ quang, chất sinh khí bị phát nóng và sản sinh ra rất nhiều khí làm cho áp suất trong ống tăng cao (tới hàng chục at) thổi tắt hồ quang.

60 120

35

40 80

22

15 20

10

10 15

6

Bảo vệ độc lập

Bảo vệ phối hợp

S1 (mm)

Uđm, kV

4 CHỐNG SÉT ỐNG (CSÔ)

b Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

hồ quang không được dập tắt gây ra ngắn mạch tạm thời, thiết bị bảo

vệ rơle có thể tác động cắt mạch không cần thiết

- Dùng bảo vệ các đường dây tải điện không treo dây chống sét

- Được dùng làm bảo vệ phụ trong các sơ đồ bảo vệ chống sét trạm biến áp

5 CHỐNG SÉT VAN (CSV)

SiO2dày ~ 10 -5 cm (ρ = 10 4 -10 6 Ωm)

Chuỗi khe hở phóng điện và chuỗi điện

trở phi tuyến (điện trở làm việc) được