giải đề cương môn kỹ thuật điện cao áp (phần lý thuyết)

Đây là file giải chi tiết đề cương câu hỏi của bộ môn kỹ thuật điện cao áp. Câu trả lời được chắt lọc gọn gàng, đủ ý và chính xác nhất từ tài liệu học tập cũng như quá trình tham khảo. Mong rằng tài liệu này sẽ giúp các em vượt qua được môn kỹ thuật điện cao áp

Đề Cương: Kỹ thuật điện cao áp + Gói câu hỏi số 1:

Câu 1: Trình bày về hiện tượng quá điện áp khí quyển!

 Sự hình thành

Sét là hiện tượng phóng điện trong không khí với khoảng cách rất lớn, xảy ra giữa những đám mây hoặc giữa đám mây với đất

Do không khí không hoàn toàn là một điện môi lý tưởng nên vẫn tồn tại các ion tự do Dưới tác dụng của điện trường, các ion này dịch chuyển sinh ra dòng điện hướng về mặt đất với độ lớn bằng:

I=J s=γ E t s

 Trong đó:

: điện dẫn xuất, phụ thuộc vào độ linh hoạt của các ion dương, âm và các điện tử tự do.

γ ≈ 2,3.10-14 1/m

S : diện tích mặt cầu của tụ điện s ≈ 5,1.1014 m2

E t : cường độ điện trường.

1 Giai đoạn tiên đạo

2 Gai đoạn phóng điện ngược

3 Giai đoạn kết thúc

- Dòng điện sét có dạng xung

- Những thông số được quan tâm của sét là: Đỉnh sóng (Imax), thời gian đầu sóng, thời gian thân sóng, độ dốc (dI/dt)

- Để đặc trưng cho năng lượng của sét, cần quan tâm đến các thông số như: cường độ hoạt động, điện tích Q, năng lượng, thòi gian tồn tại, vận tốc, áp suất, nhiệt độ…

- Quá trình phóng điện sét có thể xem như tương tự với quá trình ngắn mạch chạm đất một dây dẫn thẳng đứng

 Đối với con người:

- Gây điện giật, nguy hiểm đến tính mạng

 Đối với công trình:

- Sét mang theo nhiệt độ cao và vụ nổ lớn khi dòng plasma phát sinh, gây phá hủy các công trình xây dựng

- Dòng sét chạy trong vật dẫn gây ra lực điện động, làm cong vênh các kết cấu kim loại

- Khi đánh vào các vật dễ cháy gây hỏa hoạn

 Đối với hệ thống điện

- Gây nhiễu các tín hiệu điều khiển, bảo vệ hệ thống điện

- Dòng sét chạy trong các phần tử của hệ thống điện sinh nhiệt, phá hỏng kết cấu cơ khí, làm già hóa cách điện và chất làm mát

- Xung quá điện áp gây tổn hao cách điện

- Dòng sét đi vào hệ thống nối đất sinh ra điện áp bước, gây nguy hiểm cho người vận hành

Câu 2: Đường dây như thế nào được coi là đường dây dài? Trình bày ý nghĩa của các thông số đặc trưng của đường dây dài.

Đường dây dài là đường dây có độ dài từ 100km trở lên, với đường dây dài, quá trình diễn biến của điện áp và dòng điện ở hai đầu đường dây không giống nhau Vì vậy không thể mô tả đường dây dài bằng những thông số tập trung Cần sử dụng mô hình đường dây dài với thông số rải

Trong mô hình đường dây dài, mỗi thông số của dòng điện không chỉ biến thiên theo thời gian mà còn biến thiên trong không gian

 Các thông số của mô hình đường dây dài:

- Hệ số truyền sóng:

𝛾=𝛼+𝑗.𝛽=√(𝑍.𝑌)

Đặc trưng cho quá trình truyền sóng dọc theo chiều truyền sóng

Trong đó:

𝛼: Hệ số tắt, đặc trưng cho tốc độ tắt của biên độ sóng

𝛽: Hệ số pha, đặc trưng cho tốc độ biến thiên góc pha của sóng

- Vận tốc truyền sóng: v(𝜔) : 𝑣=𝜔/𝛽

Đặc trưng cho tốc độ truyền sóng trên đường dây

Sự phân bố vận tốc truyền sóng theo tần số gọi là sự tán sắc vận tốc trong quá trình truyền sóng Tổng trở sóng: ZC (𝜔):

´

I+¿

´

I−¿

=Z

γ=

Z

√Z Y=√Z Y ¿

¿ ¿

¿

Với Z(j𝜔) = R + j𝜔L : Tổng trở trên đơn vị dài

Y(j𝜔) = G + j𝜔C : Tổng dẫn trên đơn vị dài

Với đường dây dài không tiêu tán:

G ≈ 0; R ≈ 0 => Z = j𝜔L; Y = j𝜔C

=> 𝛾 = j𝛽 = j.𝜔.√L C

𝛼 = 0

𝛽 = 𝜔.√L C

v = 1/√L C

ZC = √L/C

Câu 3: Trình bày về hệ thống thu sét!

 Khái niệm

Là hệ thống tập hợp các vật có điểm nhọn và cao có tác dụng dẫn dòng điện sét có năng lượng cực lớn xuống đất để trung hòa thay vì qua thiết bị được bảo vệ

Hệ thống thu sét bao gồm:

1 Bộ phận thu đón sét: Thường có dạng mũi nhọn, được đặt ở độ cao lớn hơn vật cần bảo vệ Thu hút tia tiên đạo từ đám mây xuống

2 Bộ phận dẫn chuyền sét: Dây dẫn dòng sét xuống đất

3 Bộ phận nối đất: Hệ thống điện cực đặt trong đất để tản dòng sét

 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Sử dụng phương pháp thực nghiệm và xác suất để tính toán phạm vi bảo vệ Người ta đưa ra hai mô hình dùng để tính toán phạm vi bảo vệ, đó là mô hình kinh điển và mô hình điện hình học

 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét theo mô hình kinh điển

Mô hình kinh điển được xây dựng dựa trên cơ sở nghiên cứu các mô hình phóng điện sét trong phòng thí nghiệm và được kiểm chứng bằng kinh nghiệm vận hành trong thời gian dài

Các nhà khoa học đưa ra nhiều mô hình phạm vi bảo vệ khác nhau:

Phạm vi bảo vệ được hiểu là vùng mà các vật đặt trong đó có xác suất sét đánh trúng nhỏ hơn một giá trị nào đó

+ Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập

+ Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét phối hợp

 2 cột thu sét có chiều cao bằng nhau

 2 cột thu sét có chiều cao khác nhau + Phạm vi bảo vệ của hệ thống nhiều cột thu sét phối hợp hoạt động

 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét theo mô hình điện hình học:

Theo mô hình này, khi tia tiên đạo bắt đầu định hướng tới một công trình nào đó trên mặt đất, xảy

ra một quá trình phóng điện trực tiếp trên khoảng cách rs, quá trình này giống với các phóng điện ở khoảng cách dài trong phòng thí nghiệm

Trong mô hình điện hình học, phạm vi bảo vệ của cột thu sét phụ thuộc vào độ cao cột thu sét và giá trị cường độ dòng điện sét

Nhận thấy rằng: cường độ dòng điện sét càng lớn thì phạm vi bảo vệ càng lớn

 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét:

Dây chống sét được treo cao ở phía trên của đường dây tải điện sao cho dây dẫn của cả 3 pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét

- Phạm vi bảo vệ của dây thu sét theo mô hình kinh điển

- Phạm vi bảo vệ của dây thu sét theo mô hình điện hình học

Đối với dây thu sét, khoảng cách phóng điện sét không chỉ phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét mà còn phụ thuộc vào độ cao của dây dẫn

Câu 4: Trình bày về phạm vi bảo vệ của cột thu sét theo mô hình điện hình học!

Khoảng cách giữa tia tiên đạo và vật dưới mặt đất mà từ đó tia tiên đạo hướng lên có thể phát triển được gọi là khoảng cách phóng điện

Các nhà khoa học đưa ra nhiều công thức tính bán kính phóng điện khác nhau, nói chung chúng đều

có dạng: r=K I n

Hiện nay IEEE sử dụng công thức:

r =9,4 I2 /3(m)

Với việc tính bán kính phóng điện, phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được xác định như sau:

Vẽ đường ABCD cách đều mặt đất và đỉnh cột thu sét một khoảng bằng r

Khi tia tiên đạo đến đoạn AB hoặc CD, sét sẽ đánh xuống đất

Khi tia tiên đạo đến cung BC, sét sẽ đánh vào đỉnh cột thu sét

Vùng bảo vệ sẽ là vùng mà tia tiên đạo không thể vươn tới, đó là hình nón tròn xoay với đường sinh

là cung tròn tâm B hoặc C, bán kính rsi

Bán kính bảo vệ tại mặt đất:

r io=√2 r h−h2

Với: rsi: bán kính phóng điện

h: độ cao cột thu sét

(phạm vi bảo vệ của cột thu sét phụ thuộc vào độ cao cột thu sét và giá trị cường độ dòng điện sét) Nhận thấy rằng: cường độ dòng điện sét càng lớn thì phạm vi bảo vệ càng lớn

Độ tin cậy của phạm vi bảo vệ ứng với biên độ dòng sét Ii là:

P=P{I ≥ I i}=e

−Ii

26,1

Có thể thấy xét đến dòng sét có biên độ càng lớn thì phạm vi bảo vệ càng lớn, nhưng độ tin cậy lại càng giảm đi

Ngoài ra dựa trên cơ sở mô hình điện hình học, chúng ta sử dụng phương pháp quả cầu lăn để xác định phạm vi bảo vệ

Nhược điểm của mô hình điện hình học:

- không xem xét đến hình dạng và kích thước của những vật thể nhô cao trên mặt đất và điện trở của chúng

- chỉ áp dụng cho những cú sét mang cực tính dương

Câu 5: Trình bày về phạm vi bảo vệ của dây thu sét theo mô hình điện hình học!

Đối với dây thu sét, khoảng cách phóng điện sét không chỉ phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét mà còn phụ thuộc vào độ cao của dây dẫn

- Khi tia tiên đạo xuất hiện trên cung AB: Sét sẽ đánh vào DTS

- Khi tia tiên đạo xuất hiện trên đoạn CD: Sét đánh xuống đất

- Khi tia tiên đạo xuất hiện trên cung BC: Sét sẽ đánh vào dây dẫn

Vùng bảo vệ của DTS được biểu diễn như sau:

Khi cường độ dòng sét Ii tăng lên, cung BC

bị rút ngắn, khi I>I2, cung này bị triệt tiêu: Sét chỉ đánh vào DTS hoặc đất

Xét dây dẫn phía ngoài cùng có góc bảo vệ lớn hơn do đó dễ bị sét đánh hơn các dây pha còn lại

Với các giá trị dòng điện sét khác nhau, ta tính được bán kính phóng điện và xác định vùng bảo vệ

 Vùng I: Giới hạn bởi trục tung (đường thẳng đi qua cột), mặt đất và tập hợp các điểm C;

C’… (tập hợp các điểm cách đều dây dẫn và mặt đất – là một Parabole).

Khi tia tiên đạo xuất hiện trong khu vực này, sét sẽ phóng xuống đất.

 Vùng II: Giới hạn bởi tập hợp các điểm C; C’… và tập hợp các điểm B; B’… (là hai hình Parabole)

Khi tia tiên đạo xuất hiện trong vùng này, sét sẽ đánh vào dây dẫn.

 Vùng III: Giới hạn bởi trục tung và tập hợp các điểm B; B’…

Khi tia tiên đạo xuất hiện trong vùng này, sét sẽ đánh vào dây thu sét.

 Chọn góc bảo vệ của DTS:

Để khi sét đánh vào dây dẫn cũng không gây phóng điện trên cách điện đường dây:

sin α=1− h cs−∆ h/2

6,72.(2 U50 %

Z dd )0,8

Điều kiện về khoảng cách an toàn của hệ thống thu sét:

Khoảng cách tối thiểu trong không khí là 5m và trong đất là 3m, tính từ dây dẫn dòng sét đến bất cứ thiết bị nào

Câu 6: Phân loại hệ thống nối đất! Như thế nào là nối đất tự nhiên?

Phân loại hệ thống nối đất

MBA)

dụ: nối đất vỏ thiết bị, nối đất an toàn trong trạm)

 Nối đất tự nhiên

Hệ thống nối đất tự nhiên – hệ thống các thiết bị, công trình ngầm bằng kim loại có sẵn trong

lòng đất như các cấu kiện bê tông cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại, vỏ cáp ngầm, vật kim loại được chôn dưới đất thuộc các hệ thống kỹ thuật khác (đường ống nước, vỏ bảo vệ của đường cáp điện…)

Phần lớn trường hợp, hệ thống đường dây, đường ống ngầm có trị số điện trở nối đất rất thấp (1-2{) Trong khi một hệ thống nối đất nhân tạo muốn đạt được trị số như trên sẽ gặp nhiều khó khăn

và tốn kém

Câu 7: Nêu các giải pháp để cải thiện điện trở suất của đất!

Trường hợp nơi đất có điện trở suất cao, cần có giải pháp để giảm trị số điện trở nối đất:

a Lợi dụng các vật tiếp đất tự nhiên sẵn có

- Những đường ống kim loại, vật kim loại được chôn dưới đất thuộc các hệ thống kỹ thuật khác (đường ống nước, vỏ bảo vệ của đường cáp điện…)

- Phần lớn trường hợp, hệ thống đường dây, đường ống ngầm có trị số điện trở nối đất rất thấp (1-2{) Trong khi một hệ thống nối đất nhân tạo muốn đạt được trị số như trên sẽ gặp nhiều khó khăn và tốn kém

b Thay lớp đất gốc có điện trở suất cao bằng đất mới có điện trở suất nhỏ hơn

- Nếu lớp đất bề mặt có điện trở suất cao nhưng bề dày không lớn thì có thể thực hiện như sau:

- Đào đất xung quanh cực nối đất với bán kính từ 1,5 đến 2m, độ sâu bằng chiều dài cọc nối đất cộng thêm với độ chôn sâu

- Sau khi đặt cọc, lấp đầy hố bằng loại đất khác có điện trở suất thấp hơn rồi đầm chặt Với hệ thống nối đất gồm nhiều cọc, tiến hành nối các thanh liên kết cọc trước khi lấp đất

Loại đất lấp hố là loại đất có điện trở suất thấp hơn đất cũ từ 5 tới 10 lần, ví dụ, với môi trường đất cát hoặc đá thì có thể lấp bằng đất sét, than bùn, đất đen, xỉ…

c Giảm điện trở suất bằng muối ăn

- Dùng muối ăn để cải tạo đất

- Ngoài muối, ta có thể dùng xỉ than hoặc thường xuyên tưới nước vào bộ phận tiếp đất

- Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là làm cho các bộ phận kim loại bị ăn mòn, giảm tuổi thọ của hệ thống nối đất Đồng thời muối dễ dàng bị các mạch nước ngầm rửa trôi

d Bổ sung hệ thống nối đất

- Nối thêm vào hệ thống nối đất cũ một hệ thống nối đất mới (đơn giản có thể chỉ là tăng chiều dài cọc hoặc nối các tia kéo dài tới những vùng có điện trở suất thấp hoặc là một hệ thống hỗn hợp thanh cọc)

- Điện trở nối đất không giảm tuyến tính theo việc mở rộng hệ thống, đến một mức nào đó, việc này sẽ không giảm điện trở nối đất

- Tổng trở nối đất bao gồm cả dung kháng C, dung kháng này tỷ lệ với diện tích tiếp xúc của điện cực và đất, như vậy khi tăng số lượng điện cực, dung kháng C cũng tăng lên

e Sử dụng hóa chất để giảm điện trở suất của đất cục bộ

- Sử dụng các cọc tiếp địa sâu xuống đất để đạt tới lớp đất ẩm hay mực nước ngầm có điện trở suất thấp, kết hợp với các hóa chất để giảm điện trở suất

- Phương pháp này có ưu điểm là giá trị điện trở tiếp địa ổn định, ít thay đổi theo mùa (do lớp đất sâu ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết)

Câu 8: Trình bày công thức tính phạm vi bảo vệ của một cột thu sét độc lập và 2 cột thu sét cao bằng nhau phối hợp bảo vệ theo mô hình Kinh con nhà bà Điển:

 Hệ thống 1 cột thu sét độc lập:

 Hệ thống 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau:

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a ≤ 7h được xác định như sau: Vùng bên ngoài, phạm vi bảo vệ được xác định bởi phạm vi bảo vệ của từng cột độc lập

Vùng ở giữa, phạm vi bảo vệ được xác định giống như của một cột có độ cao h0 đặt chính giữa 2 cột, với:

h0 = h - a7

Bán kính bảo vệ của cột h0:

 Nếu h

x ≤ (2/3).h0:

r 0 x=1,5 h0(1− h x

0,8 h0)

3h=¿r x=1,5 h(1− h x

0,8 h)p

h x>2

3h=¿r x=0,75 h(1−h x

h)p

Với p là hệ số hiệu chỉnh

với h ≤ 30m: p = 1

với h > 30m: p = 5,5

√h

 Nếu h

x > (2/3).h0:

r 0 x=0,75 h0(1−h x

h0)

Câu 9: Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét phối hợp:

Vùng bên ngoài: Phạm vi bảo vệ được xét giống như phạm vi bảo vệ của từng cặp cột đặt trên cạnh của đa giác

Vùng bên trong đa giác: Không cần vẽ phạm vị bảo vệ mà chỉ cần kiểm tra điều kiện an toàn

Vật có độ cao hx đặt trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thỏa mãn điều kiện:

D ≤8 h a=8.(h−h x)

Trong đó:

D: đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các cột thu sét

2.√p ( p−a) ( p−b) ( p−c)

h a : độ cao tác dụng của cột thu sét

Câu 10: Trình bày công thức tính phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao khác nhau:

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao lần lượt là h1 và h2, đặt cách nhau một khoảng a được xác định như sau:

 Giả sử h1 > h2:

- Vùng bên ngoài, phạm vi bảo vệ xác định giống như từng cột độc lập

- Vùng bên trong, phạm vi bảo vệ xác định giống như 2 cột có độ cao bằng nhau với một cột h2 và một cột h2’ Cột giả tưởng h2’ đặt cách cột h1 một khoảng x x đúng bằng bán kính bảo vệ của cột h1 với chiều cao cần bảo vệ h2:

x= 1,6

1+h2

h1

.(h1−h2)

 Từ đó tính được:

a '=a− x=a− 1,6

1+h2

h1 .(h1−h2)

 Độ cao của cột giả tưởng h0 đặt chính giữa cột h2 và h2’:

h0=h2−a '

7 =h2−

1

7.[a− 1,6

1+h2

h1

.(h1−h2)

]

Bán kính bảo vệ của cột h 0 :

 Nếu hx ≤ (2/3).h0:

r 0 x=1,5 h0(1− h x

0,8 h0)

 Nếu hx > (2/3).h0:

r 0 x=0,75 h0(1−h x

h0)

 Gói câu hỏi số 2:

Câu 1: Trình bày về chống sét ống:

- Chống sét ống là loại chống sét khe hở có khe dập hồ quang, là thiết bị chống sét được dùng rộng rãi để bảo vệ đường dây chống quá điện áp do sét đánh vào đường dây gây lên

- Cấu tạo của chống sét ống gồm một ống làm bằng chất sinh khí (phip – Bakelit với CSO PT hoặc thủy tinh hữu cơ đối với PTB), hai đầu có hai nắp bằng kim loại Nắp 2 có bulong để bắt dây nối đất, bulong này nối tới cực 4 Ở nắp 3 có thiết bị báo hiệu 5 Chống sét ống được mắc vào đường dây qua hai mỏ phóng điện 6 và 7, tạo thành khe hở S2

- Bình thường, đường dây cách điện với đất nhờ hai khe hở, khe hở bên trong S1 và khe hở bên ngoài S2 Khi sét đánh vào đường dây, điện thế tăng lên đột ngột, cường độ điện trường giữa hai khe hở tăng mạnh, gây ra phóng điện qua hai khe hở xuống đất

- Sau khi dòng sét được tháo xuống đất, điện thế đường dây trở lại trị số bình thường, hồ quang sinh ra ở khe hở S1 sẽ đốt nóng và làm cháy vỏ sinh khí, áp suất trong ống tăng cao, nắp báo hiệu bật ra, một luồng khí mạnh phụt qua miệng ống, làm tắt hồ quang Kèm theo đó là tiếng nổ và khói

- Thời gian làm việc của chống sét ống không quá 0,02s

Câu 2: Trình bày về chống sét van: