BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP ĐỀ THI CUỐI KÌ

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP Biên soạn và trình bày: TS. Nguyễn Đức Tường CHƯƠNG 3 2 Trang bị bảo vệ chống sét cấp 1 cho các phần tử trong Hệ thống điện Giới thiệu chung. 1. Mô hình hình học. 2. Mô hình điện hình học. 3. Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện. 4. Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp

BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

Biên soạn và trình bày: TS Nguyễn Đức Tường

Trang bị bảo vệ chống sét cấp 1 cho các phần tử trong Hệ thống điện Giới thiệu chung.

1 Mô hình hình học.

2 Mô hình điện hình học.

3 Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện.

4 Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp.

1 Giới thiệu chung.

2 Mô hình hình học.

3 Mô hình điện hình học.

4 Tính toán bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện.

5 Tính toán bảo vệ chống sét cho trạm biến áp.

GIỚI THIỆU CHUNG

Các cấp bảo vệ:

- Bảo vệ cấp 1: hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét trực tiếp vào các thiết bị và các phần

tử của hệ thống điện => Bảo vệ bằng hệ thống chống sét đánh trực tiếp.

- Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt tới giới hạn an toàn cho cách điện của

các thiết bị điện trong trạm biến áp và nhà máy điện => Bảo vệ bằng các thiết bị chống quá áp (khe hở phóng điện, chống sét van ).

- Bảo vệ cấp 3: Bảo vệ quá điện áp cảm ứng cho các thiết bị điện áp thấp, điện tử, hệ thống máy

tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu do sét đánh gần trạmbiến áp => Bảo vệ bằng các bộ lọc hoặc các thiết bị bảo vệ quá áp.

 Tiêu chuẩn thiết kế

 IEEE Std 998-2012, “Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations”

 IEEE Std 1243-1997, “Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines”.

 IEEE Std 1410-2011, “Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines”.

 IEC 62305-2013, “Protection against lightning”.

 NFPA 780-2014, “Standard for the Installation of Lightning Protection Systems”.

6

 Tổng quan về thiết kế

o Khó dự báo do xác suất ngẫu nhiên của sét,

o Thiếu dữ liệu do tần suất của sét,

o Phân tích chi tiết phức tạp, đòi hỏi chi phí cao,

o Các phương pháp không đảm bảo bảo vệ 100%

 Đánh giá hiệu quả và chi phí thiết kế

1 Hệ thống bảo vệ cấp 1.

- Bộ phận thu hút phóng điện sét là kim thu sét hoặc dây thu sét.

- Hệ thống nối đất làm nhiệm vụ tập trung các điện tích phía dưới mặt đất

o Năm 1750, Benjamin Franklin xuất bản một bài viết đề xuất một thí

nghiệm để chứng minh rằng sét là điện bằng cách thả một chiếc

diều trong cơn bão, nhận thấy nó trở thành một cơn bão sét

o Ngày 15/06/1752, Franklin tiến hành thí nghiệm với diều nổi tiếng

của mình tại Philadelphia và thu được những tia lửa điện từ một

đám mây

Benjamin Franklin

17 /01/1706 Boston, Massachusetts

17/04/1790 Philadelphia, Pennsylvania

 Phương pháp thiết kế

 Mô hình hình học (≤ 69 kV):

Dựa trên thực nghiệm để xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét (dây, kim) bằng mô

tả, biến đổi hình học Phạm vi bảo vệ chỉ phụ thuộc vào độ cao của hệ thống thu sét

Phương pháp góc cố định,

Nhược điểm:

- Không chính xác khi chiều cao của cột thu sét lớn hơn nhiều đối tượng bảo vệ,

- Không kể tới độ lớn của dòng điện sét.

 Phương pháp Góc cố định

o 1924, Frank William Peek đặt nền tảng nghiên cứu về phạm vi bảo vệ, đường giới hạn bảo vệ của kim thu sét và được ứng dụng tính toán trong thực tiễn.

o 1941, Wagner, McCann và MacLane công bố kết quả thực nghiệm của mình với thí nghiệm

sử dụng nguồn xung dương 1,5/40 s, cho phóng điện từ điện cực xuống mặt đất hoặc dây nối đất.

o 1942, Wagner, McCann, và Lear tiếp tục công bố kết quả khi thực nghiệm phóng điện từ điện cực tới trạm biến áp.

 Mô hình điện hình học > 69 kV (Electrogeometric Method-EGM).

Dựa trên hiệu ứng thu hút phóng điện sét, khoảng cách phóng điện (S) phụ thuộc vào độ lớndòng điện sét (IS)

- Có thể chấp nhận bị sét đánh với những cú sét có dòng điện nhỏ,

- Ngăn chặn các cú sét có dòng điện lớn,

- Chỉ cho phép các cú sét đánh vào công trình mà không gây ra phóng điện nguy hiểm hay gây thiệt hại cho đối tượng được bảo vệ.

 Phương pháp quả cầu lăn của Whitehead (Rolling Sphere),

 Phương pháp quả cầu lăn của Mousa,

Mô hình điện hình học > 69 kV (Electrogeometric Method-EGM).

o Năm 1945, Golde công bố mô hình EGM, nhưng chưa được ứng dụng.

o Năm 1960, J G Anderson mô phỏng quá trình phóng điện sét bằng máy tính,

o Năm 1963, nhóm của Young tiếp tục phát triển phương pháp EGM,

o Năm 1971, được Viện Edison Electric (EEI) phát triển và ứng dụng cho Hệ thống truyền tải,

o Năm 1973, Whitehead và Gilman đã công bố những nghiên cứu được xem là đầy đủ nhất

về bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho đường dây truyền tải,

o Năm 1976 đến năm 1991, Mousa và Srivastava phát triển phương pháp quả cầu lăn dựa

trên cơ sở lý thuyết EGM của Whitehead.

o Năm 1977, Ralph H Lee phát triển phương pháp quả cầu lăn (Rolling Sphere) dựa trên cơ

sở lý thuyết EGM của Whitehead.

MÔ HÌNH HÌNH HỌC

Vùng không được bảo vệ

Rx

Vùng bảo vệ

Vùng được bảo vệ

Bán kính bảo vệ R x ở độ cao h x :

Rx = (h - hx).tg = ha.tg

Trong đó:

R x là bán kính bảo vệ ở độ cao h x (m)

h là độ cao của cột thu sét (m)

h x là độ cao cần bảo vệ của công trình (m)

h a là độ cao hiệu dụng của cột thu sét (m).

 Ví dụ: Một trạm biến áp 35 kV có sơ đồ mặt cắt và

mặt bằng như hình… Trạm được bảo vệ bằng 5 cột

thu sét (1, 2, 3, 4, 5) Biết góc bảo vệ  =  = 45o,

các kích thước khác cho trên hình

o Được thực hiện trong phòng thí

3.2 MÔ HÌNH HÌNH HỌC 18

Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở độ cao d

(ứng với suất sự cố 0,1%)

Phạm vi bảo vệ của 1 dây thu sét

Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét

Tính toán biên độ dòng điện sét cho phép (I C ),

Tính toán khoảng cách sét đánh (S) hoặc bán kính quả cầu lăn,

Sử dụng hai hoặc nhiều khoảng cách sét đánh (S) tương ứng với nhiều giá trị BIL khác nhau đối với trạm biến áp có nhiều cấp điện áp.

 Nội dung EGM

Khoảng cách phóng điện (khoảng cách định hướng):

Khoảng cách phóng điện vào

3.3 MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC (EGM) 24

Trong đó: S là khoảng cách phóng điện (m),

I là dòng phóng điện trong khe sét (kA),

k là hệ số phụ thuộc vào kết cấu bị phóng điện sét.

k=1 đối với dây chống sét hoặc mặt đất, k=1,2 đối với cột thu sét.

 Mô hình EGM của Mousa :

o Phát triển tiên đạo sét vào hệ thống thu sét theo hướng thẳng đứng,

o Khoảng cách định hướng của kim, dây và đất là khác nhau,

o Dòng điện sét trung bình cho lần phóng điện đầu tiên lấy bằng 24 kA,

o Mô hình không gán cố định với khảng cách phóng điện:

S = 8.k.I 2/3

o Dòng điện cho phép (Dòng điện tới hạn): là dòng điện sét có biên độ sao cho những cú sét

đánh trúng đối tượng bảo vệ mà không gây ra phóng điện:

hoặc

Trong đó: I C là dòng điện sét cho phép đánh vào thiết bị điện hay dòng điện sét tới hạn (kA),

1,1 là hệ số kể tới sự suy giảm của dòng điện sét ở cuối vật dẫn.

BIL là mức cách điện xung cơ bản của thiết bị điện (kV), CFO là mức cách điện xung sét trung bình (tới hạn) (kV),

Z S = 300400 () là tổng trở sóng của phần kim loại dẫn dòng điện sét.

S S

C

Z

BIL.2,22

Z

BIL.1,1

S S

C

Z

CFO

068,22

Z

CFO

1,1.94,0

 Mô hình EGM của Eriksson.

o 1987, Eriksson phát triển phương pháp EGM có xét tới hiệu ứng phát triển tia tiên đạo từ phía hệ thống thu sét và vận tốc lan truyền tương đối của nó với tia tiên đạo phát triển từ phía đám mây.

- Hiệu ứng thu hút phóng điện sét: S = f(IP,H)

-

-S

R

Tia tiên đạo

Tiên đạo ngược

A

Đường cong quỹ tích

Hm

y

x

2 m

2 m 2

H

H x



o Bán kính hấp dẫn (bán kính thu hút) R với Hm 60 m:

R = k.H m 0,6 I C 0,74

Trong đó: S là khoảng cách thu hút (m),

I P là giá trị đỉnh của dòng điện sét (kA),

H là độ cao của hệ thống thu sét (m).

Trong đó: R là bán kính hấp dẫn (m),

k = 0,84 với cột thu sét,

k = 0,67 với dây thu sét,

H m là độ cao của hệ thống thu sét (m),

I C = 2,2BIL/Z S (kA).

Cột chống sét

Vùng thu hút của cột chống sét

Vùng thu hút của các thiết bị

Hình 7 14

 Phương pháp quả cầu lăn (Rolling Sphere Method).

o Khi xác định được dòng điện I C => khoảng cách thu hút S (khoảng cách này là bán kính quả cầu, được xác định theo công thức của Mousa).

o Khi quả cầu lăn lên Hệ thống chống sét sẽ tạo ra phạm vi bảo vệ của chúng Công trình được bảo vệ phải nằm lọt phía trong của phạm vi bảo vệ.

Công trình được bảo vệ

Công trình không được bảo vệ

BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

Dây pha (C)

Dây chống sét (W)

A B

C

A B

Mô hình điện hình học biểu diễn đường dây trên không

HC

0A-Phóng điện xuống đất AB-Phóng điện vào dây dẫn, BC-Phóng điện vào dây chống sét.

o Suất rủi ro (Shielding Failure Rate)

ứng với dòng điện I:

C d

L là chiều dài đường dây (km)

D C là khoảng cách từ dây dẫn tới đường dóng dây chống sét (m).

 Áp dụng mô hình EGM.

Suất rủi ro đối với tất cả các giá trị dòng điện sét:

SFR

Trong đó:

3 (kA) là dòng điện nhỏ nhất có thể gây ảnh hưởng tới HTĐ.

I max là dòng điện sét lớn nhất có thể đánh vào dây pha (kA).

A

S (

2

)HH

(S

S

C W

max G

G

C S

S S

k 

o Khoảng cách thu hút sét của dây chống sét và dây dẫn (D và D C ):

Trong đó:

)]

cos(

[cos S

) cos(

S

C

2 C

W

C

2 C W

2

C

S 2

tg 1 ) H H

( arcsin 2

1

S 2

) H H

( X arcsin 2

1 ) S 2

a arcsin(

2 1

X(

arctg

)S

HS

arcsin(

C W

C

C G

W



 C



Áp dụng mô hình EGM.

o Suất phóng điện (Shielding Failure Flashover Rate_SFFOR): hay suất sự cố.

Quá điện áp trên đường dây:

Nếu U > CFO sẽ gây ra phóng điện

 Như vậy, dòng điện tới hạn:

2

IZ

C C

C C C

Z

CFO2

I2

Z

ICFO

dI)I(fDLN2SFFOR

max

C

I I

C



Trong đó: Z C là tổng trở sóng của đường dây ().

Nếu gọi P là góc bảo vệ lý tưởng thì (từ hình vẽ):

G P

S

HS

H

S arcsin S

H

S (arcsin 2

1

C

C max

G C

W max

G P

G P

S

H S

G

2 C

2 W max

G

2 C

) H H

X (

arctg

C W

P





 Áp dụng mô hình EGM của Eriksson

o Hiệu ứng che chắn: đối với tất cả các cú sét có biên độ dòng điện lớn hơn dòng điện cho phép (I C ) đều

có xu hướng đánh vào dây chống sét Khi đó dây dẫn được bảo vệ.

N 2 SFFOR

35 , 1 6 , 0 C

max C max

Z

CFO

2 I

;

) H 67 , 0

S (

1

2 max

C

;

) H

H ( S

S

C

W C

W 



a 2

a S

S b

2 W

2



 Áp dụng mô hình EGM của Eriksson

W

2 W

) H H

X (

arctg

C W

P



 Chọn góc bảo vệ của dây chống sét

- Thiết kế dựa trên Góc bảo vệ lý tưởng (SFFOR = 0),

- Trong vùng có mật độ sét (N d =1-4 lần/km 2 năm), nếu chọn SFFOR = 0 sẽ không đảm bảo

được tính kinh tế,

- Giảm suất phóng điện do sét tới giá trị chấp nhận được (giá trị khuyến cáo của SFFOR = 0,05 lần/100km.năm),

- Thiết kế mang lại hiệu quả kinh tế nhất,

- Trong vùng có cường độ hoạt động của sét thấp chỉ cần chọn một dây chống sét,

- Trong vùng có cường độ hoạt động của sét lớn phải dùng 2 dây chống sét,

- Xây dựng quan hệ giữa SFFOR với độ cao trung bình của dây dẫn và dây chống sét,

Love-IEC, Brown-Whitehead và IEEE với giả thiết tia tiên đạo phát triển từ đám mây xuống đất theo hưởng thẳng đứng.

Ví dụ: Dây thu sét có độ treo cao HW = 30 m, dây dẫn pha treo cao 28 m, đường dây đi quavùng có mật độ sét Nd = 4 (lần/km2.năm) và dòng điện sét tới hạn IC = 10 kA.

 Xác định SFFOR bằng phương pháp đơn giản

N2SFFOR

(F

[2

D.LN2

)III

(P

.2

D.LN2

dI)I(

f2

D.LN2SFFOR

C max

CC d

C max

CC d

I

I

CC d

C CC

dL.D [Q(I ) Q(I )].10N

Hàm Q(I)=1-F(I) là phân bố tích lũy,

được xác định theo CIGRE:

Từ 3 đến 20

Từ trên 20 đến 60

Từ trên 60 đến 200

6 , 1

Z2e31,01)I(Q







Z 35 , 0 5 , 0 )

I (

7 , 1

Z2

e 278 ,

0 )

I ( Q





I I

) M

I ln(

 Một vài số liệu thực tế [16]

[16] Cigré, “GUIDE TO PROCEDURES FOR ESTIMATING THE LIGHTNING PERFORMANCE OF TRANSMISSION LINES”, 63, Study Committee 33, 1991.

Suất cắt nhỏ hơn 0,6 lần/100 km/năm.

Một đường dây có chiều dài 100 km đi qua vùng có mật độ sét là 4 và được bảo vệ bằng 2 dây chống sét, treo ở độ cao trung bình trên toàn tuyến là 30 m, và dây dẫn pha là 26 m Biết dòng điện tới hạn là 10 kA

Hãy tính suất phóng điện SFFOR của đường dây sử dụng công thức tính khoảng cách phóng điện của Brown-Whitehead cho hai trường hợp:

- Góc bảo của dây chống sét là 25o,

- Góc bảo của dây chống sét là 35o

BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 1 CHO TRẠM BIẾN ÁP

1 Xác định dòng điện tới hạn ứng với cấp điện áp tính toán.

BIL là mức cách điện xung sét cơ bản ở cấp điện áp tính toán (kV), CFO là điện áp phóng điện xung sét trung bình (tới hạn) (kV),

068,2

I 

R S =AI S b

Vùng bảo vệ

Thiết bị không được bảo vệ

Thiết bị được bảo vệ Quả cầu lăn

Cột chống sét

o Nếu H>R S => Phạm vi bảo vệ sẽ giảm Nhưng đối với

nhiều cột hoặc dây chống sét thì không cần thiết.

Đánh vào cột

Đánh xuống đất

HX

Mặt cắt của vùng bảo vệ

Cột thu sét

Đối tượng bảo vệ

Đánh xuống đất

Đánh vào cột

2 X S

2 S

X R ( R H )

2 S

2 S

Đánh vào cột RX

R0

Vùng không được bảo vệ

P(IS) là xác suất xuất hiện dòng điện I  IS,

P(IS0) là xác suất xuất hiện dòng điện lớn hơn hoặc bằng IS0.

R0

A

 Ví dụ: Một máy biến áp 110 kV có BIL = 650 kV, đặt trong vùng có số ngày dông sét Td = 50 (ngày/năm) Tổng trở sóng của cột thu sét ZS = 355  Hãy xác định xác suất sự cố và suất sự cố ứng với khoảng cách sét đánh S = 40 m?

Giải:

- Với S= 40 m => IS = 11,89 (kA)

- Vùng không được bảo vệ có: 4,03 kA < I < 11,89 kA

- Xác suất có các cú sét có biên độ dòng điện sét lớn hơn 4,03 kA và 11,89 kA:

=> P(f) = 0,99-0,861 = 0,129 = 12,9%

) m ( 20 03

, 4 2 , 1 8 I

k 8 S

) kA ( 03 ,

4 355

650 2 , 2 Z

BIL 2 , 2

S

99,0)

24

03,4(1

1

)24

I(1

1)

03,4I(

P

6 , 2 6

, 2

24

I(1

1)

89,11I

(

P

6 , 2









Giả sử bán kính bảo vệ ở độ cao H x tương ứng với S và S 0 là R 1 = 35 m và R 0 = 22 m thì:

oDiện tích không được bảo vệ:

Trường hợp 2 cột chống sét.

o Phía ngoài các cột thu sét tính như 1 cột.

o Phía trong tính như 1 cột nếu:

Quả cầu lăn

S HR

2 2

S HR

2 C

2 S S

C

R

 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.

• Bán kính phía trong 2 cột thu sét ở độ cao hx

R0 = D0 – DxVới:

• Phía trong 2 cột thu sét được bảo vệ phải thỏa mãn:

Mặt bằng

2 C

2 D

2

cbR

a C

2 C

2 S S

2 C

2 S S

0

RR

RH

)RR

R(HH

 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét.

Phạm vi bảo vệ của 1 dây thu sét.

H.R2

DX  S X  2X

)m(D

R

BX  S  X

3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 1 CHO TRẠM BIẾN ÁP 56

Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét. Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét.

Các phương án đề xuất:

• Sử dụng hoàn toàn là cột chống sét.

• Sử dụng hoàn toàn dây chống sét.

• Phối hợp giữa dây chống sét và cột chống sét.

Dây chống sét:

Ưu điểm:

- Có vùng bảo vệ lớn hơn so với cột chống sét và thường được bảo vệ ở cấp điện áp cao,

- Các trạm có diện tích lớn thì chi phí sẽ thấp hơn phương án sử dụng cột chống sét.

Cột chống sét:

Ưu điểm:

- Có khả năng thu hút sét ở khoảng cách lớn hơn khoảng 1,2 lần so với dây chống sét,

- Cùng một độ cao thì cột chống sét bảo vệ được dòng điện lớn hơn dây chống sét.

- Bảo vệ các trạm biến áp có cấp điện áp cao và có diện tích trạm không lớn.

Trong thực tế, các trạm biến áp từ > 110 kV sử dụng phương án cột chống sét kết hợp với dây chống sét sẽ mở rộng được vùng bảo vệ và cho chi phí thiết kế thấp hơn.

Bộ phận thu sét (kim, dây) được đặt ở vị trí cao nhất và thường lợi dụng chiều cao của các cột, xà

có sẵn trong trạm biến áp hay nóc nhà điều hành, sẽ giảm được chi phí do thiết kế thêm cột.

Tuy nhiên, vị trí đặt kim hay treo dây cũng còn tùy vào kết cấu và kích thước của trạm Tại những vị trí không thuận lợi có thể phải thiết kế thêm cột đặt độc lập với công trình mới đảm bảo.

 Xác định hiệu quả bảo vệ của HT chống sét bảo vệ TBA.

o Xác định mật độ phóng điện sét xuống đất N d

o Xác định số lần sét đánh vào diện tích trạm biến áp,

(lần/năm)

Trong đó: A là diện tích trạm biến áp (m 2 )

o Xác định số lần phóng điện do sét xâm nhập vào phạm vi bảo vệ:

Np = 0,001.NS (lần/năm)

Với 0,001 ứng với xác suất sét sâm nhập vào phạm vi bảo vệ là 0,1% (suất sự cố).

2

d S

1000

A.N

N 