Bài giảng học phần Kỹ thuật cao áp: Chương 10 - TS. Nguyễn Văn Dũng

(BQ) Bài giảng môn học Kỹ thuật cao áp - Chương 10: Quá điện áp trong hệ thống điện cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu, quá điện áp do sét đánh, quá điện áp nội bộ, bảo vệ chống quá điện áp, quá trình sóng trên đường dây. Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN

Trang 2

TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có bản quyền Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.

NỘI DUNG

 Giới thiệu

 Quá điện áp do sét đánh

 Quá điện áp nội bộ

 Bảo vệ chống quá điện áp

 Quá trình sóng trên đường dây

* Bài giảng có sử dụng một số hình ảnh được trích từ file của các tác giả khác

Trang 3

I GIỚI THIỆU

 Hệ thống điện thường xuyên chịu tác động của quá điện áp xảy ra trong thời gian rất ngắn

 Nguồn gốc sinh ra quá điện áp:

o Yếu tố bên ngoài: bị sét đánh  quá điện áp sét đánh

o Yếu tố bên trong: do thao tác vận hành (đóng, cắt đường dây hoặc thiết bị); do sự cố (ngắn mạch, đứt dây…)  quá điện

áp nội bộ

 Quá điện áp sét đánh không phụ thuộc vào giá trị điện

áp của hệ thống

Trang 4

 U ht  300 kV: thiết kế cách điện theo xung sét (lightning impulse)

 300 < U ht < 765 kV: thiết kế cách điện theo xung sét đánh và xung quá điện áp nội bộ (Switching surge)

 U ht  765 kV: thiết kế cách điện theo xung quá điện áp nội bộ

Trang 5

II QUÁ ĐIỆN ÁP DO SÉT ĐÁNH

1 Hiện tượng sét đánh

 Sét là 1 dạng phóng điện tia lửa ở trong khí quyển giữa các đám mây mang điện tích với đất hoặc giữa các đám mây mang điện tích trái dấu với nhau

 Các đám mây mang điện tích có độ cao trung bình vài km so với

Trang 6

Hình ảnh sét đánh lên hệ thống điện!

Trang 7

2 Vị trí hay bị sét đánh

 Vật thể có độ cao hơn các vật thể khác trong khu vực

 Nơi tập trung điện tích

 Nơi có khả năng tản dòng điện sét tốt (điện trở suất nhỏ)

Trang 8

3 Nguồn gốc hình thành phóng điện sét

1 Hình thành các đám mây mang điện tích với tâm điện tích âm ở phía

dưới, tâm điện tích dương ở phía trên (có nhiều lý thuyết giải thích)

2 Không khí ẩm ướt

3 Tồn tại vật cao (tập trung điện tích) hoặc nơi có khả năng tản dòng tốt

Trang 9

* Các thông số của sét:

Chiều dài khe sét 3  6 km Điện thế 10  100 MV

Vận tốc 310 5 m/s Dòng điện 10 100 A Dòng phóng điện ngược 1  250 kA Nhiệt độ 15000  20000 o C

Thời gian  1s

Trang 10

4 Các giai đoạn phóng điện sét

Giai đoạn 1

 Đầu tiên, xuất phát từ đám mây dông một kênh sáng mờ chứa điện tích âm ( tiên đạo bậc-stepped leader ) phát triển từng bước gián đoạn ( 50 mét, 1

 s ) về phía mặt đất.

Trang 11

Giai đoạn 1

 Gần đúng các tiên đạo bậc xem như là các thác điện tử

 Mật độ điện tích kênh tiên đạo: 10 13 -10 14 ion/m 3

 Tiên đạo bậc thường phân nhánh, phát triển

ngẫu nhiên về mặt đất và

có điện thế khoảng 100

MV với điện tích cỡ 5 C.

Trang 12

Giai đoạn 1

 Giữa các bước, thời gian dừng khoảng 50  s Trong thời gian này, tia tiên đạo “tìm” đối tượng để “tấn công” Nếu “ không thấy ”, quá trình phát triển ngẫu nhiên của tia tiên đạo sẽ lặp lại cho tới khi phát hiện

được đối tượng.

 Tổng thời gian phát triển của một tia tiên đạo khoảng 50 ms

 Để hình thành 1 tia tiên đạo hoàn chỉnh có thể bao gồm đến 10000 bước

Trang 13

Giai đoạn 2

 Khi tia tiên đạo tiến về mặt đất, điện tích âm của tia tiên đạo sẽ cảm ứng mạnh các điện tích dương trên mặt đất.

Vị trí tập trung điện tích dương có thể ở ngay bên dưới đám mây hay các vị trí

có điện dẫn cao

Trang 14

Giai đoạn 2

 Cường độ điện trường tăng cao tại các vị trí tập trung điện tích dương làm ion hóa mạnh không khí  tạo nên dòng điện tích ( streamers ) phát triển từ dưới đất lên Đây là giai đoạn phóng điện đón sét

 Chiều dài của dòng điện tích: 30 - 100 m

 Khi dòng điện tích tiếp xúc với dòng tiên đạo, các bước tiếp theo sẽ diễn ra trong vòng 100  s

Trang 15

Giai đoạn 3

 Khi dòng điện tích tiếp xúc với dòng tiên đạo, các điện tích âm bắt đầu chảy xuống hình thành kênh dẫn điện

Trang 16

Giai đoạn 4

 Các điện tích dương tràn lên trung hòa các điện tích trên kênh tiên đạo

 Các điện tích dương này tiếp tục di chuyển theo kênh tiên đạo ban đầu để trung hòa các điện tích âm trong đám mây  hình thành giai đoạn phóng điện chính (phóng điện ngược)

 Mật độ điện tích: 10 16 -10 19 ion/m 3

Trang 17

Giai đoạn 4

 Dòng phóng điện ngược trung bình đạt 30 kA

 Tốc độ di chuyển dòng điện khoảng 10 8 m/s

 Mật độ dòng điện cao cùng với tốc độ gia tăng dòng điện lớn  đốt nóng kênh dẫn điện mãnh liệt  tạo thành

kênh plasma có nhiệt độ khoảng 50000K và bức xạ sáng chói màu trắng xanh ( tia chớp )

Trang 18

Giai đoạn 4

 Sự đốt nóng tức thời và mãnh liệt khi phóng điện ngược xảy ra làm cho không khí giãn nở đột ngột  tạo

sóng xung kích mạnh lan truyền gây tiếng nổ ( sấm )

Trang 19

Giai đoạn 5

 Sau khi kết thúc giai đoạn phóng điện ngược khoảng từ 20-50  s, nếu còn đủ lượng điện tích tồn tại trong đám mây 

một dòng tiên đạo khác di chuyển xuống đất ( dart leader )

 Dart leader xuất hiện tại vị trí của kênh dẫn của tiên đạo bậc trước đó

 Dart leader sẽ làm xuất hiện dòng điện tích mới từ đất

 Dart leader không phân nhánh Lightning

Trang 20

5 Dòng điện sét

a Các giai đoạn phát triển

Trang 21

b Xung dòng điện sét

T 1

T 2

 Các thông số

- T 1 : Thời gian đầu sóng:

- T 2 :Thời gian xung giảm còn ½ giá trị cực đại

 Xung tiêu chuẩn:

-T 1 = 1,2 µs

- T 2 = 50 µs

 Độ dốc đầu sóng của dòng sét

) /

( kA s

a  I T m 

Trang 22

c Xác suất xuất hiện dòng điện sét lớn hơn I m

 is

 Đồng bằng

26 /

m

I

is  e 



Trang 23

d Xác suất xuất hiện dòng điện sét có độ dốc đầu sóng lớn hơn a

 Đồng bằng

7 , 15 /

a

a  e 



Trang 24

6 Cường độ hoạt động của sét và mật độ sét

Trang 25

 Các Nước phân bố xung quanh xích đạo có mật độ sét cao

 Việt Nam có mật độ sét cao (20-50 lần/km 2 năm)

Trang 26

 Bản đồ mật độ

sét Việt Nam

Trang 27

 Chết người hoặc bị thương

 Hư hỏng hoặc phá hủy công trình và vật kiến trúc

 Quá điện áp hệ thống điện  phóng điện  gây hư hỏng cách điện đường dây, thiết bị đóng cắt, thiết bị bảo vệ, máy biến áp… và gây mất ổn định hệ thống điện.

 Sét đánh trực tiếp (ít khi) và gián tiếp (thường xuyên)

7 Tác hại khi bị sét đánh

Trang 28

8 Phân bố điện áp vào đất khi bị sét đánh

Trang 30

9 Điện áp trên đối tượng bị sét đánh

V: điện áp trên đối tượng I: dòng sét qua đối tượng

I o : dòng sét xuống đất (đánh trực tiếp xuống đất)

Z : tổng trở sóng của đối tượng

Z o : tổng trở khe sét (1000 

3000  )

Z Z

Z I

I

Z Z

I Z

I

const V

o

o o

Trang 31

Dây truyền tải: 300  500 

Dây nối đất: 100  150 

Trụ điện thép: 10  50 

* Tổng trở sóng

C L

Trang 32

* T/h: Sét đánh vào dây truyền tải

Trang 33

* T/h: Sét đánh vào giữa đường dây truyền tải

V = I o Z/2

= 10000  400/2 = 2000000 (V) = 2000 kV

Trang 34

III QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ

1 Nguồn gốc

• Ngắt điện dây truyền tải, cáp, tụ bù…

• Ngắt điện máy biến áp không tải, cuộn cảm…

• Cấp điện dây truyền tải, tải điện cảm, điện dung…

• Ngắt tải đột ngột

• Ngắn mạch và xử lý xong sự cố

• Hiện tượng cộng hưởng

Trang 35

– Xung điều hòa bậc cao

• Giá trị có thể lớn gấp 6 lần điện áp định mức của hệ thống

• Thời gian quá điện áp: 1  10 ms

• Giá trị quá điện áp:

Trang 36

2 Dạng xung quá điện áp nội bộ

Trang 37

3 Quá điện áp trên hệ thống EHV và UHV

 Giá trị quá điện áp: 2  3,3p.u (1200  2000kV đối với hệ thống 765kV)

 Yêu cầu: hạn chế giá trị quá điện áp < 2,5 p.u (giá trị

lý tưởng là 2,0 p.u)

Trang 38

Trang 39

4 Các biện pháp điều khiển và giảm quá điện áp

 Cấp điện đường dây qua 1 hay nhiều bước thông qua điện trở

 Điều khiển pha đóng CB thông qua cảm biến (sensor)

 Giải phóng nhanh điện tích dư trước khi đóng lại

đường dây truyền tải dài

 Sử dụng chống sét van (lightning arrester)

Trang 40

IV BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP DO

SÉT ĐÁNH

1) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

a Trạm biến áp

b Đường dây 2) Bảo vệ chống sét lan truyền

a Đường dây

b Máy biến áp

c Trạm biến áp

Trang 41

1 Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

a) Trạm biến áp

 Sử dụng hệ thống cột thu sét như hình sau:

Trang 42

 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (< 60 m)

Trang 43

Đường sinh dạng hyperbol

h h x

r x

 Vật nằm phía dưới đường sinh được bảo vệ

Trang 44

Trang 46

 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có cùng độ cao

o Nếu hai cột đặt cách nhau 1 khoảng a  7h , thì mọi điểm trên mặt đất giữa hai cột sẽ không bị sét đánh

o Một vật có độ cao h o đặt giữa hai cột sẽ được bảo vệ nếu h o thỏa điều kiện:

o Phạm vi bảo vệ phía ngoài hai cột được xác định như đối với mỗi cột riêng lẻ

o Khu vực giữa hai cột được giới hạn bởi một cung tròn qua hai đỉnh cột và đỉnh cột giả tưởng có độ cao h o

p

a h

h o

7





Trang 48

* Cách xác định phạm vi bảo vệ của hai cột trên mặt chiếu bằng

Trang 49

 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau:

o Phạm vi bảo vệ phía ngoài hai cột giống như phạm vi bảo vệ của từng cột riêng lẻ

o Phạm vi bảo vệ giữa hai cột được xác định bằng cách qua đỉnh cột thấp (h 2 ) vẽ một đường thẳng ngang, cắt đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột cao (h 1 ) tại một điểm, điểm này được coi như là đỉnh của một cột giả tưởng h’=h 2 Khu vực bảo vệ giữa cột thấp h2 và h’ cách nhau a’ được xác định như giữa hai cột có độ cao bằng nhau

h’

Trang 50

 Phạm vi bảo vệ của hệ nhiều cột thu sét

o Khi công trình cần bảo vệ chiếm diện tích lớn  sử dụng nhiều cột thu sét

o Để xác định phạm vi bảo vệ, người ta chia hệ thống cột thu sét thành từng nhóm ba hoặc bốn cột thu sét ở gần nhau

D

Trang 51

o Bên ngoài diện tích đa giác đi qua chân các cột, phạm vi bảo vệ được xác định như trường hợp hai cột thu sét

o Các thiết bị có độ cao lớn nhất h x đặt trong diện tích đa giác sẽ được bảo vệ nếu thỏa mãn điều kiện sau

p

D h

Trang 52

b) Đường dây

 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét có độ treo cao h  30 m

x

x x

h h

h

h h

Trang 53

 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét có độ treo cao h > 30 m

Trang 54

 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét

4

S h

h o  

Trang 55

 h DCS h DD 

Trang 56

 Cách xác định phạm vi bảo vệ của dây chống sét

o Thực tế dây chống sét thường được dùng để bảo vệ các đường dây cao áp

o Độ treo cao trung bình của DD thường nhỏ hơn 2h/3  không cần xác định toàn bộ phạm vi bảo vệ, chỉ cần xác định góc bảo vệ  là đủ

o  càng nhỏ thì xác suất sét đánh vào dây dẫn   càng nhỏ

Trang 57

2 Bảo vệ chống sét lan truyền

hồ quang kế tục của dòng điện

xoay chiều để khôi phục lại

trạng thái làm việc bình

thường cho hệ thống

 Thiết bị chống sét không được phóng điện khi có quá điện áp nội bộ

Trang 58

 Sử dụng mỏ phóng điện (khe hở thanh) để bảo vệ sứ cách điện của đường dây và sứ xuyên

 Điện áp phóng điện đánh thủng khe hở bằng 80% điện áp phóng điện của chuỗi sứ

b) Bảo vệ đường dây

* Mỏ phóng điện

Trang 60

 Cấu tạo đơn giản gồm 1 khe hở thanh

Ưu điểm:

 Không dập tắt được hồ quang nên khi nó làm việc nếu dòng điện ngắn mạch chạm đất của lưới điện lớn thì hồ quang sẽ không tự dập tắt và ngắn mạch chạm đất kéo dài

 Điện áp phóng điện bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và cực tính

 Hồ quang làm hư hỏng các cực

Nhược điểm:

 Dùng bảo vệ đường dây trong các lưới có dòng ngắn mạch chạm đất

bé (lưới có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang) hoặc khi có phối hợp với thiết bị tự động đóng lại (TĐL) để bảo đảm cung cấp điện liên tục

 Lắp đặt ở khu vực ít bị sét đánh và đường dây được bảo vệ bởi dây chống sét có nối đất.

 Dùng để dự phòng cho thiết bị chống sét chính

Phạm vi ứng dụng:

Trang 62

Trang 63

* Chống sét ống

Nguyên lý hoạt động:

Khi quá điện áp vượt quá giá trị tổng điện áp phóng điện của khe

hở ngoài và trong, phóng điện tại các khe  thoát nhanh dòng sét

Trang 64

Trang 65

và dưới của dòng điện cắt

 Khi dùng nó trong hệ thống công suất nhỏ hoặc đặt chống sét ống với mật độ quá dày sẽ không đảm bảo về yêu cầu giới hạn dưới của dòng cắt

 Ngược lại nếu hệ thống công suất lớn sẽ có thể vượt quá trị số giới hạn trên

 Chế độ vận hành hệ thống luôn thay đổi làm dòng ngắn mạch khó đáp ứng yêu cầu trên

 Dập tắt hồ quang sau vài chu kỳ

Trang 66

* Chống sét van đường dây

Trang 67

Sét đánh vào cột

hoặc dây CS nhưng

điện trở nối đất cao

Trang 68

Trang 70

c) Bảo vệ máy biến áp ( thiết bị điện )

 Lắp khe hở thanh song song với

sứ xuyên ( ưu và nhược điểm

trình bày ở phần trước )

 Lắp đặt chống sét van trước máy biến áp

Chống sét van

* Thiết bị bảo vệ

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	5,25 MB