Phân bố dòng qua máy biến áp khi sét đánh bất kỳ một điểm trên đường dây

[8] - [9] giới thiệu một phương pháp mới tính dòng điện qua hệ thống nối đất trạm biến áp cao thế khi sét đánh trên đường dây chống sét tại một điểm bất kỳ có ảnh hưởng của các thông số.

Trang 1

L ỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Hồ Văn Nhật Chương đã tận tình, nhiệt tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn!

Và xin cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy, truyền thụ kiến thức trong suốt khóa học!

Và xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc, trưởng, phó phòng Kỹ Thuật và các cô, chú, anh, chị, em trong Công ty TNHH MTV Công trình Đô thị tỉnh Sóc Trăng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được tham gia khóa học!

Và tình thương của gia đình và sự giúp đỡ của bạn bè đã là động lực thúc đẩy tôi trong suốt quá trình học tập cũng như khoảng thời gian tâm lý không ổn định!

Xin chân thành cảm ơn tất cả! Cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2012

Ký tên

Trịnh Minh Sang

Trang 2

TÓM T ẮT

Biên độ điện áp và xây dựng mạng lưới nối đất thì giải quyết được dòng điện truyền vào hệ thống nối đất trạm biếp áp cao thế Vì vậy, dòng điện qua hệ thống nối đất

trạm biến áp thì luôn luôn được sự quan tâm của người thiết kế [8] - [9] giới thiệu

một phương pháp mới tính dòng điện qua hệ thống nối đất trạm biến áp cao thế khi sét đánh trên đường dây chống sét tại một điểm bất kỳ có ảnh hưởng của các thông

số Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của hệ thống nối đất và từ đó xác định vùng nguy hiểm nhất của trạm biến áp và một vài kết quả khác nhận được

ABSTRACT

The voltage amplitude and its distribution along the grounding grid are decided by current injecting a grounding system of high voltage substation Therefore, the short circuit current passing this grounding system of substation is always cared by the designers [8] - [9] introduced a new method to calculate the current passing grounding system of high voltage substation when lightning strikes on the grounding wire of transmission line at any point regardless of the influential parameters This paper studied clearly the influence of the parameters of “grounding wire-electric pole system” and from this, the dangerous zone of high voltage substation and some other interesting results were received

Trang 3

M C L C

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Mục lục vi

Chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xxi

M Đ U 1

Đặt vấn đề 1

Mục đích của đề tài 1

Phương pháp nghiên cứu 1

Phạm vi ứng dụng 2

Nội dung luận văn 2

Ch ng 1 T NG QUAN 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Đánh giá, phân tích bài báo 3

1.2.1 Formulas for calculating physical grounding resistance of grounding wire – electric pole system of high voltage transmission line [8] 3

1.2.2 u điểm của các bài báo 5

1.23 Hạn chế của các bài báo 5

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 6

Trang 4

1.4.1 Phạm vi nghiên cứu 6

1.4.2 Giới hạn đề tài 6

1.5 Điểm mới của luận văn 7

1.6 Kế hoạch thực hiện 7

Ch ng 2 NGHIÊN C U Đ C TÍNH T N S VÀ CÁC V N Đ N I Đ T VÀ H TH NG DÂY CH NG SÉT 8

2.1 Phương pháp đặc tính tần số 8

2.2 Các vấn đề về hệ thống nối đất 11

2.2.1 Các dạng nối đất 11

2.2.2 Các vấn đề về thiết kế hệ thống nối đất 12

2.2.3 Hệ thống nối đất trạm biến áp 13

2.2.4 Bảo vệ chống sét cho các phần tử hệ thống điện 15

2.2.4.1 Bảo vệ chống sét đường dây tải điện 15

2.2.4.2 Sét đánh trực tiếp vào đường dây không có dây chống sét 15

2.2.4.3 Sét đánh trên đường dây có dây chống sét 16

2.2.4.4 Khi có hai dây chống sét 16

2.2.5 Bảo vệ chống sét trạm biến áp 16

2.2.6 Các yêu cầu kinh tế kỹ thuật kinh tế khi thiết kế hệ thống nối đất cho trạm và đường dây tải điện 18

Ch ng 3 XÁC Đ NH T NG TR THEVENIN C A Đ NG DÂY CH NG SÉT ậ C T ĐI N VÀ PH NG PHÁP TệNH TOÁN PHÂN B DÒNG SÉT 20

3.1 Thành lập công thức tính tổng trở hệ thống 20

3.1.1 Mô hình toán hệ truyền tải điện đơn một dây chống sét 20

3.1.1.1 Tính tổng trở Thevenin nhìn từ đầu đường dây với mô hình n mạch pi có các thông số Z svà Z p giống nhau 21

3.1.1.2 Tổng trở Thevenin có tính đến chiều dài của khoảng vượt 26

3.1.1.3 Tính tổng trở Thevenin khi cuối đường dây có mắc thêm một phần tử Z1 27

Trang 5

3.2.1 Tính toán trở kháng 30

3.2.2 Tính toán dòng điện 30

3.2.2.1 Trường hợp sét đánh tại cột cổng trạm biến áp 30

3.2.2.2 Trường hợp sét đánh tại cột thứ k trên đường dây 33

3.3 Đề xuất 36

Ch ng 4 KH O SÁT DÒNG QUA H TH NG N I Đ T MÁY BI N ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRÊN Đ NG DÂY CH NG SÉT 38

4.1 Khảo sát dòng qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh trên đường dây chống sét 38

4.1.1 Các trường hợp sự cố sét đánh 39

4.1.2 Các thông số của đường dây chống sét 41

4.1.3 Khảo sát phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp so với dòng sét 41

4.1.3.1 Trường hợp sét đánh tại cột cổng 41

4.1.3.2 Trường hợp sét đánh tại vị trí bất kỳ k 46

4.1.4 Khảo sát phần trăm điện áp tại hệ thống nối đất máy biến áp so với điện áp sét 55

4.1.4.1 Trường hợp sét đánh tại cột cổng 55

4.2 Nhận xét chung 68

Ch ng 5 KH O SÁT DÒNG QUA CU N DÂY MÁY BI N ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRÊN Đ NG DÂY TRUY N T I 70

5.1 Khảo sát dòng qua cuộn dây máy biến áp khi sét đánh trên đường dây truyền tải 70

5.1.1 Các trường hợp sự cố sét đánh 73

5.1.2 Các thông số của đường dây truyền tải 73

5.1.3 Các thông số của máy biến áp 74 5.1.4 Khảo sát phần trăm dòng điện qua cuộn dây máy biến áp so với dòng sét 74

Trang 6

5.1.5 Khảo sát phần trăm điện áp qua cuộn dây máy biến áp so với dòng sét 94 5.1.5.1 Trường hợp sét đánh tại đầu cực MBA 94

5.2 Nhận xét chung 114

Ch ng 6 K t lu n 115

6.1 Kết luận 115

6.2 Hướng phát triển của đề tài 117

TÀI LI U THAM KH O 118

PH L C 120

PH L C 1: Ch ng minh các công th c 120

1 Chứng minh công thức 3.17 120

2 Chứng minh công thức 3.24 122

3 Tính toán thông số đường dây chống sét 123

4 Tính toán thông số đường dây truyền tải 123

5 Tính toán thông số tổng trở cuộn dây máy biến áp 124

PH L C 2: Ch ng trình mô phỏng 129

PH L C 3: B ng s ố li u 139

Trang 7

EMTP : Electro Magnetic Transients Program

Inf : Infinity (số vô cùng)

NaN : Not a number (không phải là số)

 : Tần số góc, rad/s

 : Hằng số truyền sóng

n : Khoảng vượt

l : Chiều dài khoảng vượt

Re : Điện trở đường dây trên một đơn vị chiều dài

Le : Điện cảm đường dây trên một đơn vị chiều dài

Ge : Điện dẫn đường dây trên một đơn vị chiều dài

Ce : Điện dung đường dây trên một đơn vị chiều dài

Zc : Đặc tính trở kháng

Zs : Trở kháng nối tiếp

Zp : Trở kháng song song

Zth0 : Tổng trở Thevenin khi cuối đường dây hở mạch

Zth : Tổng trở Thevenin khi cuối đường dây nối với hệ thống nối đất TBA

Trang 8

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Mô hình đơn giản hệ thống dây chống sét – cột điện 3

Hình 1.2: Quan hệ tổng trở theo khoảng vượt Z  f (n) 4

Hình 2.1: Mô tả nối đất TBA 14

Hình 2.2: Sơ đồ bảo vệ trạm biến áp 35 - 110kV không được bảo vệ bằng dây chống sét trên toàn tuyến [6] 17

Hình 3.1: Mô hình mạch điện hình thang 20

Hình 3.2: Mô hình mạch hình pi 21

Hình 3.3: Mô hình mạch hình T 21

Hình 3.4: Hình T thứ 1 21

Hình 3.5: Mô hình mạng 2 cửa tương đương n hình T nối tiếp nhau 23

Hình 3.6: Mạng hai cửa tương đương 24

Hình 3.7: Mạch điện hình T khi chuyển đổi 25

Hình 3.8: Mạch điện tương đương 25

Hình 3.9: Mô hình mạch điện thay thế cho dây chống sét có l 26

Hình 3.10: Mô hình mạch hình pi có thêm Z1 27

Hình 3.11: Mạch điện hình pi khi có thêm tổng trở Z1 sau khi biến đổi 27

Hình 3.12: Mạch điện hình 3.11 sau khi đơn giản hóa 28

Hình 3.13: Mô hình mạch điện đường dây chống sét 29

Hình 3.14: Mạch điện tương đương khi sét đánh tại cột cổng 30

Hình 3.15: Mô hình mạch điện tương đương khi sét đánh tại cột cổng 31

Hình 3.16: Mạch điện tương đương khi có Z2 31

Hình 3.17: Mô hình mạch điện tương đương khi sét đánh tại cột cổng có Z2 32

Hình 3.18: Mô hình mạch điện tương đương khi có sét đánh tại vị trí k trên đường dây chống sét 33

Trang 9

Hình 3.19: Mô hình mạch điện tương đương khi sét đánh tại k 34

Hình 3.20: Mạch điện hình T nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến áp 1 34

Hình 3.21: Mạch điện hình T nhìn từ vị trí sét đánh về trạm biến áp 35

Hình 4.1: Mô hình đường dây chống sét – cột điện 38

Hình 4.6: Phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại cột cổng khi cố định thông số đường dây AC70 42

Hình 4.10: Phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại cột cổng khi cố định thông số tổng trở nối đất 0,25 44

Hình 4.13: Phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại cột cổng khi cố định thông số tổng trở nối đất 1 45

Hình 4.14: Phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số đường dây AC70 46

Hình 4.15: Phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số đường dây AC90 47

Trang 10

Hình 4.16: Phần trăm dòng điện qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại

vị trí bất kỳ k khi cố định thông số đường dây AC300 47

Trang 11

Hình 4.30: Phần trăm điện áp qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại cột

cổng khi cố định thông số đường dây AC70 55

cổng khi cố định thông số tổng trở nối đất 0,25 57

cổng khi cố định thông số tổng trở nối đất 1 59

Hình 4.38: Phần trăm điện áp qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số đường dây AC70 60

Hình 4.42: Phần trăm điện áp qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định số tổng trở nối đất 0,25 62

Trang 12

Hình 4.44: Phần trăm điện áp qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị

trí bất kỳ k khi cố định số tổng trở nối đất 0,75 63

Hình 4.45: Phần trăm điện áp qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định số tổng trở nối đất 1 63

Hình 4.53: Phần trăm điện áp qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định số tổng trở nối đất 1 68

Hình 5.1: Mô hình đường dây chống sét – cột điện tương đương mô hình đường dây truyền tải 70

Hình 5.6: Phần trăm dòng điện qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại đầu cực MBA khi cố định thông số đường dây AC70 74

Trang 13

Hình 5.10: Phần trăm dòng điện qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại đầu cực MBA khi cố định thông số tổng trở MBA Z1 76

Trang 14

Hình 5.24: Phần trăm dòng điện qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số đường dây AC70 84

Trang 15

Hình 5.42: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại đầu cực MBA khi cố định thông số đường dây AC70 94

Hình 5.46: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại đầu cực MBA khi cố định thông số tổng trở MBA Z1 96

Trang 16

khi cố định thông số tổng trở MBA Z7 98

Hình 5.52: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại đầu cực MBA khi cố định thông số đường dây AC90 100

Hình 5.55: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại đầu cực MBA khi cố định thông số tổng trở MBA Z1 101

Hình 4.60: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số đường dây AC70 104

Hình 4.63: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k

Trang 17

Hình 5.64: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số tổng trở MBA Z1 106

Hình 5.65: Phần trăm điện áp qua cuộn dây MBA khi sét đánh tại vị trí bất kỳ k khi cố định thông số tổng trở MBA Z3 107

Trang 18

DANH SÁCH CÁC B NG

B NG TRANG

B ng 1.1: Quan hệ tổng trở theo khoảng vượt Z  f (n) 4

B ng 1.2: Dùng để xác định khoảng vượt tới hạn 5

B ng 4.1: Bảng thông số đường dây chống sét 41

B ng 5.1: Bảng thông số đường dây truyền tải 73

B ng 5.2: Bảng thông số tổng trở máy biến áp 74

Trang 19

M Đ U

I Đ t v n đề

Trong những năm gần đây thế giới phải chịu sự biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng gay gắt, thiên tai diễn ra liên miên Việt nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất do sự thay đổi khí hậu này Khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho

việc phát sinh và phát triển của giông sét Theo số liệu của Viện Nghiên cứu sét Gia Sàng Thái Nguyên thì tại Việt Nam, sét có cường độ mạnh được ghi nhận bằng dao động ký tự động có biên độ Imax = 90,67kA Do đó, việc nghiên cứu vấn đề chống sét để bảo vệ hệ thống lưới điện cũng là một trong những vấn đề quan trọng để đảm

bảo cho nguồn năng lượng cung cấp cho quốc gia được thông suốt hay chính là chất lượng điện năng được đảm bảo tính liên tục

Vấn đề chống sét cho hệ thống điện quốc gia được nghiên cứu rất nhiều cho hệ

thống bảo vệ trạm, đường dây, cột điện Việc xác định ảnh hưởng của dòng sét đối

với máy biến áp như thế nào là rất quan trọng Tuy nhiên các nghiên cứu tập trung nhiều việc tính toán các điện cực nối đất chứ chưa tập trung nghiên cứu sâu vào việc tính toán phân bố dòng điện vào máy biến áp trong trường hợp có sét đánh

Chính vì vậy mà tôi đã chọn đề tài luận văn “Khảo sát dòng qua máy biến áp khi

sét đánh bất kỳ một điểm trên đường dây”

Trang 20

- Sử dụng phần mềm Matlab chạy mô phỏng

- Phân tích các kết quả và đề ra hướng phát triển

IV Ph m vi ng d ng

- Làm tài liệu để giảng dạy

- Giúp cho người thiết kế hệ thống điện

V N i dung lu n văn

Nội dung luận sẽ được trình bày theo các nội dung sau đây:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nghiên cứu biến đổi Fourier và các vấn đề nối đất

Chương 3: Xác định tổng trở Thevenin của đường dây chống sét – cột điện và

phương pháp tính toán phân bố dòng sét

Chương 4: Khảo sát dòng qua hệ thống nối đất máy biến áp khi sét đánh trên đường dây chống sét

Chương 5: Khảo sát dòng qua cuộn dây máy biến áp khi sét đánh trên đường dây truyền tải

Chương 6: Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Trang 21

CH NG 1

T NG QUAN

1.1 Gi i thi u

Sét là hiện tượng tự nhiên đa dạng có nhiều ảnh hưởng đến đời sống con người

Việc chế ngự sét là vấn đề đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu Phòng chống tác hại của sét phải là vấn đề mang tính tổng thể Do đó trong những thập niên gần đây, việc nghiên cứu vấn đề chống sét ngày càng nhiều Hàng loạt công trình nghiên cứu đã ra đời, đáng kể nhất là việc nghiên cứu ra các thiết bị có khả năng chống sét từ xa hay thiết bị có khả năng hấp thu sét và dẫn sét

đi nơi khác…

Bên cạnh đó việc nghiên cứu vấn đề nối đất cho hệ thống chống sét – cột điện cũng

đã được thực hiện từ lâu Nhiều vấn đề đã được nghiên cứu trên các tạp chí và báo cáo nghiên cứu khoa học hằng năm như: Tính toán điện cực nối đất và các giải pháp

giảm điện trở của trang bị nối đất [3]; Formulas for calculating physical grounding resistance of grounding wire – electric pole system of high voltage transmission line [8]; Modelling of Long Grounding Conductors Using EMTP [17]; Simple methods

of measuring resistance between electrodes [14]…

1.2 Đánh giá, phơn tích bài báo

1.2.1 Formulas for calculating physical grounding resistance of grounding wire

ậ electric pole system of high voltage transmission line [8]

Đường dây truyền tải điện cao thế kết hợp với dây chống sét hình thành hệ thống dây chống sét – cột điện như hình 1.1

Trang 22

Hệ thống có n khoảng vượt, ở dưới chân mỗi cột điện có điện trở nối đất R c và điện

trở của dây chống sét trong mỗi khoảng vượt R cs Đường dây được nối vào trạm

biến áp cao thế tại điểm 0

Tổng trở của mạch tại vị trí 0 được xác định bằng công thức [8]:

cs c cs n

cs c cs

n cs c cs n

cs c cs

R R R b

R R R b Z

2 2

2 1

4 4

cs c cs cs

R hay

R R R Z

R R R R

2 2

2 1

2 4 2 4

Z  có dạng như trong hình với R c  10  và R cs  9125 0 , 

B ng 1.1: Quan hệ tổng trở theo khoảng vượt Z  f (n)

Zn 10.9125 3.8283 3.5262 3.5120 3.5113 3.5113 3.5113 3.5113

Với

Trang 23

Phương pháp tính điện trở nối đất tự nhiên của hệ thống dây chống sét – cột điện đơn giản với độ chính xác cao:

- Bước 1: Xác định R c và loại dây chống sét

- Bước 2: Xác định khoảng vượt tới hạn

Tại một khoảng vượt xác định, tổng trở Zn sẽ ổn định không thay đổi Tùy thuộc vào giá trị điện trở dây chống sét, giá trị nối đất và chiều dài khoảng vượt mà có thể xác định được các giá trị khoảng vượt tới hạn khác nhau dựa vào bảng 1.2

B ng 1.2: Dùng để xác định khoảng vượt tới hạn

- Bước 3: Xác định điện trở tự nhiên dây chống sét cột điện

+ Trường hợp 1: Khi số khoảng vượt nn th

c dcs

R

R R

R

4

1 2 1

+ Trường hợp 2: Khi số khoảng vượt nn th

cs c

dcs

R

R n R

R R

R

4

1.2.2 u điểm c a các bài báo

- Mô hình mô phỏng đơn giản hệ thống dây chống sét – cột điện

- Đưa ra được công thức tính toán điện trở nối đất của hệ thống chống sét – cột điện

với sai số nhỏ

1.23 H n ch c a các bài báo

- Chưa đề cập đến việc ảnh hưởng của thành phần xoay chiều R – L – G – C

- Chưa đưa ra mô hình đơn giản có xét đến ảnh hưởng của các thành phần thông số đường dây, thông số tổng trở của hệ thống nối đất…

Trang 24

- Chưa khảo sát ảnh hưởng của các thông số khi dòng sét qua hệ thống nối đất của

việc tính toán dòng điện qua hệ thống nối đất khi có sét đánh ở dây chống sét Bên

cạnh đó việc khảo sát ảnh hưởng dòng sét đến máy biến máy như thế nào là rất quan

trọng Vì vậy đề tài tôi tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:

- Nghiên cứu các vấn đề cơ bản về nối đất và an toàn trong hệ thống điện

- Khảo sát dòng sét đi qua hệ thống nối đất máy biến áp trong trường hợp sét đánh trên đường dây chống sét

- Khảo sát dòng sét đi qua cuộn dây máy biến áp trong trường hợp sét đánh trên đường dây truyền tải

- Xác định dòng sét có ảnh hưởng như thế nào để đưa ra đề xuất một số kết luận

- Sử dụng Matlab để chạy kết quả mô phỏng từ đó đưa ra đề xuất tốt hơn cho việc nghiên cứu sau đó

1.4 Ph m vi nghiên c u và gi i h n đề tài

1.4.1 Ph m vi nghiên c u

- Xác định các công thức tính tổng trở Thevenin của đường dây

- Tính toán phân bố dòng sét chạy qua các thành phần nối đất của đường dây, qua

cuộn dây máy biến áp

- Chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab

1.4.2 Gi i h n đề tài

- Xét những ảnh hưởng nhất định của các thông số đường dây

- Chưa xét cụ thể các trường hợp ảnh hưởng của các loại đất đến giá trị điện trở nối đất

Trang 25

1.5 Điểm m i c a lu n văn

- Xác định tổng trở Thevenin của đường dây

- Đề xuất một phương pháp tính toán phân bố dòng sét đơn giản

- Xét ảnh hưởng của các thông số đến dòng sét qua hệ thống nối đất trạm biến áp

- Khảo sát dòng sét đi qua hệ thống nối đất máy biến áp trong trường hợp sét đánh trên đường dây chống sét

- Khảo sát dòng sét đi qua cuộn dây máy biến áp trong trường hợp sét đánh trên đường dây truyền tải

1.6 K ho ch th ực hi n

Từ tháng 10/05/2012 đến 10/10/2012:

- Thu thập tài liệu

- Hoàn thành đề cương chi tiết

Từ 05/2012 đến 06/2012: Biên soạn nội dung chương 1

Từ 10/10/2012: Chỉnh sửa nội dung hoàn chỉnh

Trang 26

CH NG 2

2.1 Ph ng pháp đ c tính t n số

Trong việc đo lư ng động, xung điện áp là một độ lớn thay đổi theo th i gian Do

đó dạng xung ghi không được bị méo dạng b i các thiết bị đo Yêu cầu này không

thực hiện được vì tồn tại những điện tr , điện dung, điện cảm ký sinh trong cơ cấu

đo điện Chúng kéo theo một quan hệ rất phức tạp giữa điện áp xung vào u1(t) và điện áp xung ra u2(t) Các điện áp này phụ thuộc với nhau bằng hệ phương trình vi phân hoặc hệ phương trình dạng toán tử Nói chung quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra có thể mô tả bằng hệ phương trình như sau:

) 1 2 (

1 1 1 0

1 1 1

'' 2 2

' 2 1 2

0

m m n

n

A u

A u A u

hằng số, không phụ thuộc vào điện áp vào

Trong thực tế, hệ phương trình vi phân được sử dụng như là những đặc trưng của thiết bị đo thì rất không thuận lợi, b i vì các hệ số của nó rất khó xác định bằng thực nghiệm Để đánh giá các tính chất động của thiết bị đo, thông thư ng ngư i ta sử

dụng đặc tính tần số phức hoặc là đặc tính pha - biên độ phức Chúng được xác định

bằng cách tác dụng lên hệ thống đo một điện áp hình sin với tần số thay đổi Sau đó, xác định môđun và góc pha của quan hệ điện áp ra u2 và điện áp vào u1, có nghĩa là:

1

2

m

m U U H

Trang 27

 

H : được gọi là đặc tính biên độ - tần số

 

 : được gọi là đặc tính pha – tần số của thiết bị đo

Các quan hệ H  và   có thể hợp nhất với nhau nếu sử dụng mặt phẳng phức Lúc đó có thể viết:

 t U e U  t

u1  m1 jt  m1sin

         

t U

e U t

j H e U



Đặc tính tần số phức có thể nhận được bằng tính toán từ phương trình sau:

m m n

n

n u B u B u B u A

u A u A u

j A j A

B j B

j B j B j

0

2

2 1

0

Hàm H j là l i giải riêng của phương trình vi phân, do đó nó chỉ được xác định trong chế độ xác lập mà không phải chế độ quá độ khi đặt một điện áp hình sin đầu vào của thiết bị đo Vậy thì, khi xác định bằng thực nghiệm đặc tính tần số, mỗi

lần đưa điện áp hình sin đặt đầu vào của thiết bị đo cần ch đợi một khoảng th i gian để quá trình quá độ chấm dứt

Nếu thay j bằng ps j ta sẽ nhận được hàm truyền:

2

2 1 0

n n m m A p A

p pA A

B p B

p pB B p H

Trang 28

Biểu thức (2.2) cho phép xác định không những chỉ chế độ xác lập, mà còn chế

độ tự do Lúc đó điện áp vào có dạng:

m t s j

U

Trong kỹ thuật điện, để tìm đặc tính tần số hay hàm truyền phần lớn ngư i ta sử

dụng lý thuyết số phức và hàm biến phức Sử dụng lại các quan hệ của phép tính toán tử:

    (2.3)

0

dt t f e p p

H   pt

với   e F p dp

j t

Hàm F(p) được gọi là ảnh Laplace của hàm f(t)

    (2.4)0

dt t f e p

F  ptQuan hệ trên cho phép biến đổi Fourier thuận:

    (2.5)

0

dt t f e j

F   jtHàm phức tần số F j cho ta định luật thay đổi của biên độ phức theo tần số của

nó và được gọi là phổ tần số hoặc là đặc tính pha – biên độ của một hàm cho trước f(t) Hàm F j đồng th i có thể được viết dưới dạng:

b a

j

Trang 29

Biến đổi Fourier ngược:

Chứng tỏ hàm không chu kỳ f(t) đặc trưng bằng tổng không giới hạn của các dao động điều hòa với biên độ nhỏ:

Hàm này thư ng được gọi là mặt phẳng phổ, còn môđun của nó F j F  được

gọi là phổ tần số biên độ

Khi xây dựng phổ tần số biên độ thư ng ngư i ta sử dụng trục tung để ghi các giá

trị của F j so với giá trị của F j 0, có nghĩa là:

      (2.7)

00

F

j F

 

2.2 Các v n đề về h thống nối đ t

2.2.1 Các d ng n ối đ t

Tác dụng của nối đất là để tản vào đất dòng điện sự cố (do rò cách điện, ngắn mạch,

chạm đất hoặc do dòng điện sét) và giữ cho điện thế trên các phần tử được nối đất

thấp

Tùy theo chức năng của nối đất, trong hệ thống điện ta có 3 dạng nối đất chính:

Nối đất làm việc: là nối đất điểm trung tính các cuộn dây máy phát, máy biến áp công suất và máy bù, nối đất trong hệ thống pha đất (đất được dùng như một dây

dẫn) …nhằm bảo đảm sự làm việc của các trang thiết bị điện trong các điều kiện

hoạt động bình thư ng cũng như lúc xãy ra sự cố theo các chế độ qui định

Nối đất an toàn: là nối đất vỏ các thiết bị mang điện, cáp ….nhằm đảm bảo an toàn cho ngư i phục vụ khi cách điện của trang thiết bị hỏng hoặc rò điện

Trang 30

Nối đất chống sét: nhằm tản dòng điện sét vào đất, giữ cho điện thế của các phần tử được nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các

bộ phận mang điện và các trang thiết bị khác

Trong rất nhiều trư ng hợp, cùng một hệ thống nối đất đồng th i thực hiện hai hoặc

ba nhiệm vụ nối trên

2.2.2 Các v n đề về thi t k h thống nối đ t

Thiết bị nối đất bao gồm bộ phận nối đất và dây nối đất Thanh dẫn kim loại hay

một nhóm thanh dẫn tiếp xúc trực tiếp với đất gọi là bộ phận nối đất

Dòng điện I đ chạy qua các cực tản vào đất, tạo nên trong đất quanh nó một điện trư ng (điện trư ng trong môi trư ng dẫn điện) Mỗi điểm trong điện trư ng đó kể

cả trên mặt đất có một điện thế nhất định Trên mặt đất những điểm cách xa cực khoảng 20m tr lên có thể coi như có điện thế bằng không (cư ng độ trư ng các khoảng cách đó thư ng không quá 1V/m) Điện thế của cực nối đất đối với các điểm có điện thế không, về trị số bằng điện áp giáng trên cực được gọi là điện áp trên cực U đ

Điện tr quyết định dòng điện của đất gọi là điện tr tản Thực tế điện tr tản không liên quan đến đất mà liên quan đến bộ phận nối đất nên được gọi là điện tr nối đất Điện tr nối đất được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp trên cực U đvà dòng điện qua

nó I đ:

) 8 2 (

đ

đ đ I

U

Điện tr Rđ gồm điện tr của bản thân điện cực và điện tr tản trong đất Điện tr

của bản thân điện cực phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của cực Khi tản dòng

một chiều hoặc xoay chiều 50Hz thì trị số của điện tr bản thân điện cực rất bé có

thể bỏ qua Khi tản dòng điện xung có độ dốc lớn (dòng sét) nó có thể có trị số đáng kể

Trang 31

Điện tr tản trong đất có trị số phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, hình dáng, số lượng, cách bố trí các điện cực, phụ thuộc vào dạng và trị số dòng điện,

phụ thuộc tính chất, cấu tạo, trạng thái của đất và th i tiết

Một hệ thống nối đất cho trạm biến áp bao gồm:

- Cọc nối đất: là hệ thống các thanh kim loại được đóng sâu vào trong đất để tăng

cư ng khả năng tản dòng điện vào trong đất

- Lưới nối đất: là hệ thống các thanh ngang và dọc được kết liền với nhau và chôn sâu dưới mặt đất Lưới nối đất thư ng được bố trí đều khắp khuôn viên trạm để dễ dàng tiếp đất cho thiết bị và cân bằng thế trong trạm

Một hệ thống nối đất thông thư ng được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất hoặc những thanh ngang bằng cùng loại vật liệu chôn trong đất, hoặc cọc và thanh nối liền nhau và nối liền với vật cần nối đất

Cọc thư ng làm bằng thép ống hoặc thép thanh tròn không rỉ (hoặc mạ kẽm), đư ng kính từ 3 đến 6cm, dài từ 2 đến 3m hoặc bằng thép góc 40mm*40mm, 50mm*50mm đóng thẳng đứng xuống đất, còn thanh ngang bằng thép thanh dẹt tiết

diện từ (3 - 5)*(20 - 40) mm2 hoặc thép thanh tròn đư ng kính 10 đến 20 mm Cọc

và thanh được gọi chung là cực nối đất, thư ng được chôn sâu cách mặt đất 50 đến

80 cm để giảm bớt ảnh hư ng th i tiết không thuận lợi (quá khô về mùa nắng, bị băng giá về mùa đông) và tránh khả năng bị hư hỏng về cơ giới (do đào bới cày

cuốc)

Trang 32

Hình dáng và cách bố trí điện cực ảnh hư ng đến giá trị điện tr tản của thiết bị nối đất (Rđ), điện áp tiếp xúc (Utx) và điện áp bước (Ub) Cọc nối đất có tác dụng làm

giảm nhanh Rđ, nhưng không giảm

đặc điểm này, thư ng bố trí các

điện cực dạng ô lưới (dọc và

ngang) cho toàn bộ diện tích trạm

(kéo dài ra ngoài hàng rào khoảng

1m) để san bằng điện thế [3] Còn

để giảm điện tr Rđ, ưu tiên bố trí

cọc nối đất dọc theo chu vi của lưới

nối đất và các vị trí nối đất của trung tính MBA, kim thu sét, chống sét van…

Nếu TBNÐ vẫn chưa thỏa mãn yêu cầu về Rđ, mới bổ sung thêm cọc nối đất xen kẽ vào các ô lưới Để bớt ảnh hư ng của hiệu ứng màn che, cần đảm bảo khoảng cách

giữa các điện cực nằm ngang không lớn hơn 5m, khoảng cách giữa các cọc nối đất (a) không nhỏ hơn chiều dài của nó (l), tỷ số a/l lý tư ng vào khoảng (1 ÷ 3) [7]

Đối với TBNÐ thực hiện nhiệm vụ nối đất làm việc, thì lưới nối đất có tác dụng tốt hơn điện cực cọc trong việc tạo mạch dẫn cho dòng điện tr về Còn với nhiệm vụ

tản dòng điện sét, điện cực phẳng có điện cảm nhỏ nên sẽ có tổng tr nối đất xung kích sẽ nhỏ, việc tăng diện tích lưới nối đất không có tác dụng đến việc tản dòng điện sét Hình dáng của lưới nối đất càng giống hình vuông thì càng dễ đạt yêu cầu

về Rđvà giảm chi phí do tổng chiều dài điện cực sẽ bé nhất

cọc nối đất hàng rào TBA

Trang 33

2.2.4 B o v ch ống sét cho các ph n t h thống đi n

2.2.4.1 B o v ch ống sét đ ng dây t i đi n

Đối với đư ng dây tải điện trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ

thống điện nên thư ng bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đư ng dây đưa đến cắt điện mà còn có thể truyền theo đư ng dây vào trạm gây nguy hiểm cho cách điện

của các thiết bị trong trạm, đặc biệt khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc vào cột điện

Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp thư ng được thực hiện bằng cột thu sét hoặc

hoặc dây chống sét Trong phạm vi đề tài này chỉ trình bày bảo vệ hệ thống bằng dây chống sét

Dây chống sét thư ng dùng để bảo vệ chống sét đánh vào đư ng dây tải điện trên không Để bảo vệ thư ng treo dây chống sét trên toàn bộ tuyến đư ng dây Tùy theo cách bố trí dây dẫn trên cột, có thể treo một hoặc hai dây chống sét sao cho dây

dẫn điện của ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Kinh nghiệm vận hành của các đư ng dây này cho thấy xác xuất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn không những chỉ phụ thuộc vào góc bảo vệ  mà còn

phụ thuộc vào chiều cao cột điện (chiều cao cột có thể tới 40 -50m)

Khi sét đánh vào dây chống sét sẽ gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện mà

phần chủ yếu của mó là điện áp giáng trên bộ phận nối đất của cột điện Nếu dòng điện sét và điện tr nối đất cột điện lớn thì điện áp tác dụng lên cách điện có khả năng vượt quá mức cách điện xung kích của nó và gây nên phóng điện ngược tới dây dẫn Do đó dây chống sét phát huy được tác dụng được nhiều hay ít còn tùy thuộc vào tính hình nối đất của cột điện

2.2.4.2 Sét đánh trực ti p vƠo đ ng dây không có dây chống sét

Đối với trư ng hợp khi đư ng dây không có dây chống sét, sét đánh chủ yếu là vào dây dẫn, còn khả năng đánh thẳng vào cột rất ít và có thể bỏ qua Trong lưới điện có điểm trung tính cách ly đối với đất ( hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang), thì dù có

Trang 34

sét chỉ xãy ra khi phóng điện 2 hoặc 3 pha do sét đánh vào dây ngoài cùng, trư ng

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

2.2.4.3 Sét đánh trên đ ng dây có dây chống sét

Khi đư ng dây có dây chống sét thì phần lớn số lần sét đánh vào dây chống sét Tuy nhiên tùy theo đặc điểm của quá trình và ảnh hư ng của các yếu tố tác động ( biên

độ và độ dốc của dòng sét, điện tr nối đất, chiều cao của cột, chiều dài khoảng vượt) sẽ khác nhau Vì thế tùy thuộc vào vị trí sét đánh vào cột hay dây chống sét

gần cột hoặc vào dây chống sét trong khoảng vượt Khi sét đánh vào đỉnh cột do điện tr tản xung của nối đất cột điện (Rx) nhỏ hơn nhiều so với tổng tr sóng của dây chống sét (Z DCS) nên phần chủ yếu dòng sét sẽ đi qua cột (ic) vào điện tr nối đất của cột để tản vào đất, còn phần nhỏ dòng điện (ics) theo dây dây chống sét đi đến bộ phận nối đất của cột điện kế cận, về hai phía của cột bị sét đánh Còn trư ng

hợp sét đánh vào khoảng vượt do cách điện xa nên không sét ảnh hư ng của của điện từ trư ng của khe phóng điện, đồng th i trị số dòng điện sét cũng giảm thấp do

phải chia làm hai phần đi vào các cột điện lân cận

2.2.4.4 Khi có hai dây ch ống sét

Ngẫu hợp giữa dây dẫn và các dây chống sét tăng do đó làm giảm điện áp trên cách điện, ngoài ra trị số tổng tr sóng và điện cảm của hệ hai dây chống sét giảm làm cho dòng điện trong dây chống sét tăng do đó dòng điện trong cột sẽ giảm đi tương ứng Vì thế điện áp trên cách điện càng được giảm thấp

2.2.5 B o v ch ống sét tr m bi n áp

Phóng điện cách điện trong trạm trong nhiều trư ng hợp dẫn đến sự cố trầm trong

hệ thống, nó có thể phá hủy nhiều thiết bị, gây ngắn mạch trên thanh góp ngay cả khi có hệ thống rơle bảo vệ hiện đại Vì vậy, yêu cầu đối với việc bảo vệ chống sét cho trạm cao hơn nhiều so với đư ng dây

Mặt khác, do trạm là chổ yếu nhất trong cách điện của hệ thống và sóng quá điện áp khí quyển truyền theo đư ng dây vào có thể gây nguy hiểm cho cách điện của trạm,

vì biên độ của chúng thư ng lớn hơn mức cách điện xung của trạm Ví dụ, cách

Trang 35

trị số điện áp phóng điện xung bé nhất của chuỗi sứ đư ng dây 110kV cột thép tới 650kV tức là cao hơn 40%, nếu đư ng dây 110kV dùng cột xà gỗ thì mức cách điện xung của đư ng dây trên 180kV tức cao hơn nhiều lần so với mức cách điện xung

của trạm

Biện pháp chủ yếu để bảo vệ trạm chống sóng quá điện áp khí quyển truyền từ

đư ng dây vào là dùng các thiết bị chống sét van hoặc thiết bị hạn chế quá điện áp đầu vào của MBA công suất, phối hợp với việc tăng cư ng bảo vệ chống sét đánh

trực tiếp cho đoạn đư ng dây trước khi đến trạm để giảm độ dốc của sóng truyền vào trạm và giảm dòng xung qua chống sét van

Tuy nhiên, việc bảo vệ bằng chống sét van chỉ an toàn khi thực hiện được hai điều

kiện sau:

- Khoảng cách giữa chống sét van và thiết bị được bảo vệ phải nằm trong giới hạn cho phép và muốn m rộng phạm vi bảo vệ của chống sét van phải có biện pháp

giảm nhỏ độ dốc của sóng truyền vào trạm

- Trị số dòng điện xung chạy qua chống sét van không được vượt trị số định mức

tức dòng điện phối hợp (từ 5 – 14kA tùy cấp điện áp và tùy loại chống sét van) của

35/110kV

Hình 2.2: Sơ đồ bảo vệ trạm biến áp

35 - 110kV không được bảo vệ

1-2 km

Trang 36

Theo qui phạm bảo vệ chống sét cho trạm thì:

Rcsô < 10 khi điện tr suất của đất  < 103m

Rcsô < 15 khi điện tr suất của đất  > 103m

Máy biến áp được bảo vệ b i chống sét van lắp ngay trên thanh cái của trạm

Để hạn chế biên độ của sóng truyền vào trạm và bảo vệ cho cách điện đư ng dây

phải đặt một bộ chống sét ống 1(CSÔ1) đầu đoạn tới trạm ( trên cột đầu tiên đặt dây chống sét)

Bộ chống sét ống 2 (CSÔ2) đặt cuối đư ng dây có nhiệm vụ bảo vệ máy cắt điện (MC) đư ng dây trong trư ng hợp máy đã trạng thái cắt mà đư ng dây vẫn có quá điện áp

2.2.6 Các yêu c u kinh t k ỹ thu t kinh t khi thi t k h thống nối đ t cho

tr m vƠ đ ng dây t i đi n

Hệ thống nối đất có trị số điện tr tản càng bé càng tốt nhiệm vụ tản dòng điện sự

cố trong đất và giữ được mức điện thế thấp trên các phần tử được nối đất

Tuy nhiên, việc giảm thấp điện tr tản gắn liền với sự tiêu hao nhiều kim loại và công sức Do đó việc định giới hạn cho trị số điện tr tản và việc lựa chọn phương

án nối đất phải hợp lý về kinh tế và kỹ thuật

- Trị số điện tr nối đất an toàn cho phép phải được chọn sao cho các trị số điện áp bước và điện áp tiếp xúc trong mọi trư ng hợp không vượt quá giới hạn cho phép, gây nguy hiểm cho ngư i vận hành

- Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối đất an toàn các

cấp khác nhau thư ng được nối thành một hệ thống chung Hệ thống nối đất này

phải thiết kế theo trị số điện tr tản cho phép bé nhất trong hai loại để đảm bảo an toàn và sự làm việc bình thư ng trong bất cứ trư ng hợp nào

- Khi cho phép đặt các kim thu sét trên các kết cấu công trình của trạm thì nối đất

của chúng được nối chung vào hệ thống nối đất an toàn của trạm

các trạm biến áp và nhà máy điện trong những điều kiện nhất định, cột thu sét có

thể đặt ngay trên các kết cấu của trạm và nhà máy như cột xà, máy nhà, ống khói,

Trang 37

dụng phạm vi bảo vệ và giảm được giá thành xây dựng Nhưng khi sét đánh vào cột thu sét, dòng điện sét truyền qua thân cột tản qua điện tr nối đất có thể gây nên phóng điện ngược từ các kết cấu công trình (xà, cột) của trạm đến các bộ phận mang điện (dây dẫn, thanh góp) nếu điện áp giáng xung trên hệ thống nối đất vượt quá mức cách điện xung của trạm Do đó, việc đặt cột thu sét trên kết cấu công trình

của trạm chỉ cho phép khi trạm có mức cách điện xung cao và điện tr nối đất bé Đối với trạm 110kV tr lên các yêu cầu này dễ dàng thỏa mãn Còn đối với trạm 35kV chỉ cho phép đặt cột thu sét trên các kết cấu công trình của trạm (trừ xà máy

biến áp), trong các điều kiện, khi điện tr nối đất của kết cấu có đặt cột thu sét không vượt quá 4 trong phạm vi có bán kính 20m, nếu điện tr suất của đất  < 500m và trong phạm vi bán kính 30m nếu điện tr suất của đất  > 500m

- Để giảm bớt tốn kém, khi thiết kế hệ thống nối đất của trạm và đư ng dây cần chú

ý tận dụng các hình thức nối đất có sẵn (nối đất tự nhiên) Nếu điện tr tản của các

nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật thì có thể không đặt thêm nối đất nhân tạo đối với hệ thống có dòng điện chạm đất bé hoặc chỉ cần đặt thêm hệ thống

nối đất nhân tạo với yêu cầu giảm nhẹ (R< 1) đối với hệ thống có dòng điện chạm đất lớn

- Nối đất dây chống sét của đư ng dây tải điện cao áp

Trang 38

3.1.1 Mô hình toán h truy ền t i đi n đ n m t dây chống sét

Mô hình mạch điện hình thang thường được dùng để thay thế cho đường dây chống sét và các điểm nối đất tại cột

Nối tiếp n mô hình mạch điện hình pi và tương đương mô hình đường dây truyền tải

với n khoảng vượt cho n   Chúng có thể mô hình hóa như mạch điện tương đương nối tiếp hình pi với toàn bộ các thành phần R-L-C-G, trong đó mỗi mạch điện hình pi tương đương một khoảng vượt gồm điện trở nối tiếp Re, nối tiếp điện

cảm Le, song song với điện dẫn Ge và tụ điện Ce

Trở kháng nối tiếp và song song mà tương ứng với mỗi mạch điện hình pi của đoạn chiều dài là:

) 1 3 (

e e

s R j L

) 2 3 ( 1

e e

p

C j G

Trang 39

Z , : Trở kháng nối tiếp và song song

3.1.1.1 Tính t ng tr Thevenin nhìn t ừ đ u đ ng dây v i mô hình n m ch pi

có các thông s ố Z svà Z p gi ống nhau

Vấn đề chính là tính toán giá trị trở kháng Thevenin tương đương cùa n mạch điện hình pi nhìn từ đầu đường dây chống sét khi hở mạch cuối đường dây (các phần từ

mỗi mạch hình pi là giống nhau)

Để tính ta chuyển đổi n mạch điện hình pi thành n mạch điện hình T như sau:

Trang 40

Ta có hệ phương trình trạng thái dạng A của một mạng hai cửa tuyến tính không nguồn như sau:

)3.3(2 22 2 21 1

2 12 2 11 1

I A U A U

I

U

22 21

12 11

A A

A

+ Hở mạch ngõ ra 2: (I2 = 0)

p p

p

p s p

p s

Z Z

I

Z

Z I

) 2 (

1

1 2

p s

p

s p s

p s

s p s

Z

Z Z

Z I

I I

I

A

Z

Z Z Z Z

Z

Z Z Z I

I

U

A

22

2

44

2

)22

.2(

1

1 2

1

22

2 1

21

4

42

22 21

12 11

p

s p s p

p s

Z

Z Z Z

Z

Z Z Z Z

Z Z

A A

A

Định dạng
Số trang	176
Dung lượng	1,93 MB