Khảo sát ảnh hưởng của nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220, 110 và 35 KV

Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 35kV Đối với cấp điện áp 35kV trở xuống, thường thì đường dây không có dây chống sét và thuộc hệ th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG VIỆT

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày tháng năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN KHOA Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05/8/1980 Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Mạng và Hệ thống điện MSHV: 01803462

I TÊN ĐỀ TÀI:

“Khảo sát ảnh hưởng của nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây

220, 110 và 35kV”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220, 110, 35kV

2 Các biện pháp nhằm giảm suất cắt của đường dây

3 Tính toán kinh tế và kỹ thuật để lựa chọn biện pháp giảm suất cắt đối với đường dây 220 và 110kV

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/6/2005

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG VIỆT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN

2 Đường lối tổng quát để tính toán chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện có dây chống sét

2.1 Xác định xác suất phóng điện

2.1.1 Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi có sét đánh vòng qua dây

chống sét vào dây dẫn vp1Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ

+ Ulv

So sánh điện áp này với U0,5 của chuỗi sứ ta xác định được xác suất vp1

2.1.2 Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc

vào dây chống sét ở gần đỉnh cột Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ

Ucd(t) = ic(t)Rx(1 - k) + (L - kLcs

c )

DD c

dt

dic + a[M (t) kMcs(t)]

2.1.3 Xác suất phóng điện trên khoảng cách không khí vp3 khi sét đánh

vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt Điện áp tác dụng trên khoảng cách không khí là

UA-B = U + Ud t + (1-k

c c vq)Ucs + Ulv

So sánh điện áp này với điện áp phóng điện xung của khoảng cách không khí Upd(A-B) ta xác định được xác suất vp3

2.1.4 Xác suất phóng điện tại chuỗi sứ vp4 khi sét đánh vào dây chống

sét ở chính giữa khoảng vượt Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ là

l

h41(v

l

h4)v1(v

1 2

c 1

a1(i), is1(i), vis1(i), va1(i)

a2(i), is2(i), vis2(i), va2(i)

4 Lưu đồ giải thuật để khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 35kV

Các thông số đầu vào

Rx = 5, i = 1

Rx ≤ 30 N

Y Tính is, vp, nc

Các số liệu của đường dây Trị An – Long Bình: đường dây có 64 cột với

chiều dài là 23,936km (chiều dài trung bình của khoảng vượt là 380m), dây

dẫn loại AC 300mm2 có dòng định mức là 651A và đường kính 22,1mm, dây

chống sét loại TK 70 với bán kính là 5,75mm, tải trung bình của tuyến là

520A, điện trở suất trung bình của đất là 1180Ωm, giá trị điện trở nối đất

trung bình của cột điện là 25Ω; hệ thống nối đất cột điện là sử dụng dây tiếp

địa bằng thép CT3 mạ kẽm đường kính 12mm và có chiều dài khoảng 100m

Theo thống kê của Công ty Truyền tải điện 4 thì trung bình 1 năm sét đánh

vào đường dây này gây mất điện 1,75 lần và thời gian khắc phục sự cố trung

bình là 2,0 giờ

Kết quả tính toán suất cắt tổng và chỉ tiêu chống sét trên 100km đường

dây như trong bảng 2

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa suất cắt tổng của đường dây 220kV và

điện trở nối đất cột điện

Hình 2 Nhận xét:

- Suất cắt của đường dây gần như tăng tuyến tính theo giá trị điện trở nối đất của cột điện

- Suất cắt của đường dây này tại giá trị điện trở nối đất cột điện 25Ω theo tính toán là 10,5547.23,936/100 = 2,53 lần/năm cao hơn 0,78 lần so với thống

Hệ thống nối đất của cột điện gồm 12 cọc nối đất có chiều dài 2,4m, đường kính cọc là 16mm được bố trí men theo chu vi của móng cột với khoảng cách giữa 2 cọc là 2,5m và 1 điện cực ở giữa móng cột

Theo thống kê của Xí nghiệp Điện cao thế - Công ty Điện lực Thành phố

Hồ Chí Minh thì trung bình hai năm trên tuyến dây này bị cắt điện một lần do sét đánh, thời gian xử lý sự cố trung bình là 1,56 giờ

Đường dây trên có dạng cột điện như hình vẽ:

Hình 3 Kết quả tính toán suất cắt tổng và chỉ tiêu chống sét trên 100km đường

dây như trong bảng 3

5,0m 5,0m

3,5m 3,5m

3,5m 3,5m

5,0m

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa suất cắt tổng của đường dây 110kV và điện trở nối đất cột điện

Hình 4 Nhận xét:

- Suất cắt của đường dây gần như tăng tuyến tính theo giá trị điện trở nối đất của cột điện

- So sánh với suất cắt của đường dây 220kV ta thấy suất cắt của đường dây 110kV lớn hơn ứng với từng giá trị điện trở nối đất cột điện Điều này là

do mức cách điện xung của đường dây 220kV lớn hơn

- Suất cắt của đường dây này tại giá trị điện trở nối đất cột điện 8Ω theo tính toán là 5,8670.10,61/100 = 0,62 lần/năm xấp xỉ so với kết quả thống kê thực tế (0,5 lần/năm)

7 Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 35kV

Đối với cấp điện áp 35kV trở xuống, thường thì đường dây không có dây chống sét và thuộc hệ thống có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập

hồ quang, chạm đất một pha không yêu cầu cắt điện đường dây ngay mà chỉ khi phóng điện phát triển thêm ở 1 hoặc 2 pha còn lại đưa đến ngắn mạch hai,

ba pha thì đường dây mới cắt điện

Khảo sát đường dây 35kV (dây dẫn bố trí theo hình tam giác) cột bê tông cốt thép có U0,5 = 280kV, giả thiết độ treo cao trung bình của dây dẫn là

h=10m qua vùng sét hoạt động với n = 100 ngày/năm, m = 0,1 lần/km2.ngày,

hệ số ngẫu hợp động kd = 0,3 Xác suất hình thành hồ quang ổn định η = 0,7

Kết quả khảo sát được thể hiện trong bảng 4:

Nhận xét:

Suất cắt của đường dây 35kV phụ thuộc nhiều vào điện trở nối đất cột điện đặc biệt khi điện trở nối đất còn nhỏ (khoảng 18Ω)

8 Các biện pháp nhằm giảm suất cắt của đường dây

8.1 Tăng cách điện cho đường dây

Xác suất phóng điện trên cách điện của đường dây phụ thuộc vào mức cách điện của đường dây, do đó tăng cách điện của đường dây sẽ làm giảm xác suất phóng điện và do đó làm giảm suất cắt

Các biện pháp thường sử dụng là dùng xà gỗ, cột gỗ Tuy nhiên khi sử dụng xà gỗ, cột gỗ cần chú ý đến vấn đề xử lý gỗ Đối với khu vực khí hậu nhiệt đới ẩm (là điều kiện thuận lợi để mối, mọt phát triển) như ở nước ta thì việc xử lý gỗ để tăng thời gian sử dụng rất phức tạp do đó người ta thường ít khi sử dụng biện pháp này

Ngoài ra, một biện pháp khác để tăng cách điện của đường dây là thêm

số bát sứ trong chuỗi sứ Nhưng khi tăng số bát sứ ta cần phải quan tâm nhiều đến kết cấu của cột vì lúc này trọng lượng của chuỗi sứ đã tăng lên

8.2 Giảm điện trở nối đất cột điện

Kết quả khảo sát ở trên cho thấy điện trở nối đất cột điện ảnh hưởng lớn đến suất cắt của đường dây, vì vậy việc giảm điện trở nối đất cột điện cũng đồng nghĩa với việc giảm suất cắt của đường dây

Điện trở nối đất cột điện phụ thuộc vào hệ thống nối đất và điện trở suất của đất Hệ thống nối đất cột điện trong một số trường hợp coi như không đổi nên người ta thường quan tâm đến việc làm giảm điện trở suất của đất

Với sự phát triển của khoa học công nghệ như ngày nay, việc sử dụng hoá chất để giảm điện trở suất của đất như là biện pháp hữu hiệu nhất Các loại hoá chất thường được sử dụng hiện nay để cải thiện điện trở suất của đất

là Bentonite và GEM (Ground Enhancement Material – Hoá chất điện trở suất thấp và dẫn điện tốt) nhưng do điện trở suất của GEM nhỏ hơn khoảng 20 lần

so với Bentonite do đó hóa chất GEM được sử dụng rộng rải hơn cả

Hoá chất cải tạo đất GEM là vật liệu dẫn điện rất tốt, tồn tại thường xuyên và lâu dài (không tác động với muối hay hoá chất gây tác động ăn mòn) và duy trì điện trở nối đất có giá trị thấp theo thời gian GEM rất vững chắc không bị phân hủy, mục rữa, không làm biến chất đất hay ô nhiễm nguồn nước Điện trở suất của GEM không lớn hơn 20 Ωcm Tuổi thọ trung bình của hóa chất GEM này là khoảng 20 năm

9 Tính toán kinh tế kỹ thuật lựa chọn phương án giảm suất cắt của đường dây 220 và 110kV

Các biện pháp chính người ta thường sử dụng để giảm suất cắt của đường dây là tăng mức cách điện xung hoặc giảm điện trở nối đất cột điện hoặc kết hợp cả hai biện pháp này Vì vậy trong phần này ta sẽ tính toán để chọn biện pháp hợp lý nhất để giảm suất cắt

Đối với các đường dây đã khảo sát thì tăng mức cách điện xung tức là tăng số bát sứ trong chuỗi sứ Tuy nhiên ở đây chỉ tính cho trường hợp tăng 1 bát sứ trong chuỗi sứ để kết cấu của cột không thay đổi

Giảm điện trở nối đất bằng cách sử dụng hóa chất cải thiện đất để giảm điện trở suất của đất Để tính toán lượng hoá chất cần thiết ta dùng phần mềm đơn giản là ERICO-GEM Calculator Version 2.0 của Công ty ERICO Giao diện chính của phần mềm này:

Hình 6 Với đơn giá là 520.000 đồng/bao hoá chất GEM, 140.000 đồng/bát sứ và giá bán điện bình quân là 950 đồng/kWh, ta tính toán được như sau:

9.1 Đối với đường dây 220kV Trị An – Long Bình

Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 5

Bảng 5

Biện pháp

giảm suất cắt

Suất cắt giảm còn (lần/năm)

Tổng đầu tư (đồng)

Lợi ích do giảm suất cắt (đồng)

Chênh lệch (đồng) Tăng cách

nâng cao tuổi thọ của máy cắt, nâng cao tính liên tục cung cấp điện, thì trong trường hợp này có thể sử dụng kết hợp cả hai biện pháp là tăng cách điện và giảm điện trở nối đất cột điện (xuống còn 19,7Ω) để giảm suất cắt của đường dây này

9.2 Đối với đường dây 110kV Phú Lâm – Bà Quẹo

Do đường dây đi qua vùng có điện trở suất của đất bé và điện trở nối đất cột điện trung bình 8Ω thì vấn đề dùng hoá chất để giảm điện trở suất của đất

là không hợp lý Biện pháp giảm điện trở nối đất cột điện trong trường hợp này là dùng dạng nối đất thích hợp hơn hoặc tăng cường điện cực

Kết quả tính toán chi phí đầu tư khi làm giảm điện trở nối đất cột điện bằng hoá chất:

Bảng 5

Điện trở

Chi phí đầu tư trong 1 năm (đồng)

Mức độ giảm thiệt hại trong

1 năm (đồng)

Mức độ chênh lệch (đồng) Giảm từ 8Ω xuống 7Ω 17.472.000 6.915.041 10.556.959 Giảm từ 8Ω xuống 6Ω 188.448.000 12.677.576 175.770.424

Rõ ràng chi phí đầu tư lớn hơn mức độ giảm thiệt hại nên biện pháp này không hợp lý về kinh tế kỹ thuật

Trong trường hợp tăng cách điện đường dây thì tại giá trị điện trở nối đất cột điện 8Ω ta tính được suất cắt của đường dây Phú Lâm – Bà Quẹo là 0,42 lần/năm, tức suất cắt giảm 0,20 lần/năm Như vậy hàng năm giảm được thiệt hại 0,20x115.250.694 = 23.050.139 đồng

Chi phí đầu tư trong trường hợp này:

T = 6x140.000x48 = 40.320.000 đồng Chi phí đầu tư ban đầu khi tăng bát sứ trong chuỗi sứ đối với đường dây này lớn hơn so với mức giảm thiệt hại trong một năm Nhưng tuổi thọ của sứ lớn do đó chỉ cần hai năm là đã thu hồi vốn Vậy đối với đường dây này, biện pháp để giảm suất cắt là tăng số bát sứ trong chuỗi sứ

ƒ Với một đường dây cụ thể, ta hoàn toàn có thể lựa chọn biện pháp để giảm suất cắt hợp lý về kinh tế kỹ thuật Đối vối đường dây 220kV Trị An – Long Bình, ta có thể kết hợp biện pháp tăng cách điện và giảm điện trở nối

đất cột điện xuống còn 19,7Ω để giảm suất cắt đường dây Đối với đường dây 110kV Phú Lâm – Bà Quẹo, tăng cách điện đường dây được xem là biện pháp hữu hiệu để giảm suất cắt

ƒ Giá trị điện trở nối đất cột điện được xem là hợp lý về kinh tế kỹ thuật như trên là giá trị trung bình (để đơn giản khi tính toán) Trong các đường dây truyền tải 220kV, 110kV, nó có chiều dài tương đối lớn và đi qua nhiều vùng đất cũng như địa hình khác nhau vì vậy giá trị điện trở nối đất của từng cột điện cũng khác nhau Do đó ta chỉ cần tập trung làm giảm điện trở nối đất đối với những cột có điện trở cao

ƒ Sử dụng hóa chất để cải thiện điện trở suất của đất rất hiệu quả đối với những nơi có điện trở suất cao Ở đường dây 220kV Trị An – Long Bình như đã khảo sát ở trên, khi ta sử dụng hóa chất thì điện trở nối đất của cột điện giảm đáng kể (từ 25Ω xuống 19,7Ω) mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật Đối với đường dây 110kV Phú Lâm – Bà Quẹo, do điện trở suất của đất thấp nên sử dụng hoá chất để giảm điện trở không kinh tế mà thay vào đó là việc sử dụng dạng nối đất thích hợp hơn hoặc tăng cường điện cực

ƒ Việc giải các bài toán kinh tế - kỹ thuật ở trên chưa xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng như: ảnh hưởng đến kết cấu cột điện khi tăng bát sứ trong chuỗi sứ, chi phí nhân công, ảnh hưởng đến tuổi thọ máy cắt, … nhưng kết quả tính toán này có thể chấp nhận được Nếu có thêm thời gian, có thể nghiên cứu bổ sung các yếu tố này để kết quả tính toán được chính xác hơn

Lời cảm ơn

Mục lục

Chương 1: Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1

1.3 Nội dung luận văn 2

Chương 2: Các tính chất cơ bản về sét 3

2.1 Giới thiệu chung 3

2.2 Các tham số chủ yếu của sét 6

Chương 3: Đường lối tổng quát để tính chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện

8

3.1 Đường lối tổng quát để tính chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện 8

3.1.1 Số lần sét đánh vào đường dây tải điện trên không 8

3.1.2 Số lần phóng điện của cách điện đường dây 9

3.1.3 Số lần cắt điện đường dây do sét 9

3.2 Sét đánh trực tiếp vào đường dây không có dây chống sét 10

3.2.1 Đường dây cột sắt hoặc bê tông cốt sắt 11

3.2.2 Đường dây cột xà gỗ 13

3.3 Sét đánh trên đường dây có dây chống sét 13

3.3.1 Sét đánh vào dây dẫn 13

3.3.2 Sét đánh vào dây chống sét 14

3.3.2.1 Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét ở gần cột 14

3.3.2.2 Sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt 21

3.3.3 Suất cắt tổng của đường dây có dây chống sét 24

Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220kV 25

4.1 Số lần sét đánh vào dây chống sét 29

4.2.1 Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi có sét đánh vòng qua dây

chống sét vào dây dẫn vp1 29

4.2.2 Xác suất phóng điện khi sét đánh vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt 30

4.2.2.1 Xác suất phóng điện trên khoảng cách không khí vp3 30

4.2.2.2 Xác suất phóng điện tại chuỗi sứ vp4 31

4.2.3 Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc vào dây chống sét ở gần đỉnh cột vp2 32

4.3 Tính suất cắt tổng của đường dây 34

Chương 5: Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 110kV 38

5.1 Số lần sét đánh vào dây chống sét 41

5.2 Xác định xác suất phóng điện 41

5.2.1 Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi có sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn vp1 41

5.2.2 Xác suất phóng điện khi sét đánh vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt 42

5.2.2.1 Xác suất phóng điện trên khoảng cách không khí vp3 42

5.2.2.2 Xác suất phóng điện tại chuỗi sứ vp4 44

5.2.3 Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc vào dây chống sét ở gần đỉnh cột vp2 44

5.3 Tính suất cắt tổng của đường dây 45

Chương 6: Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 35kV 48

Chương 7: Các biện pháp nhằm giảm suất cắt của đường dây 51

7.1 Các yêu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của đất 51

7.2 Các biện pháp nhằm giảm suất cắt của đường dây 52

7.2.1 Tăng cách điện cho đường dây 52

7.2.2 Giảm điện trở nối đất cột điện 53

Chương 8: Tính toán kinh tế kỹ thuật lựa chọn phương án giảm suất cắt của đường dây 54

8.1.1 Đối với đường dây 220kV Trị An – Long Bình 55

8.1.1.1 Mức độ thiệt hại do bị cắt điện ứng với suất cắt 1 lần/năm 55

8.1.1.2 Tính chi phí để làm giảm suất cắt điện đường dây 55

8.1.2 Đối với đường dây 110kV Phú Lâm – Bà Quẹo 62

8.1.2.1 Mức độ thiệt hại do bị cắt điện ứng với suất cắt 1 lần/năm 62

8.1.2.2 Tính chi phí để làm giảm suất cắt điện đường dây 62

8.2 Tính kinh tế kỹ thuật khi tăng cách điện đường dây 65

8.2.1 Suất cắt của các đường dây khi tăng cách điện 65

8.2.1.1 Đường dây 220kV Trị An – Long Bình 66

8.2.1.2 Đường dây 110kV Phú Lâm – Bà Quẹo 66

8.2.2 Tính toán kinh tế kỹ thuật khi tăng cách điện đường dây 66

8.2.2.1 Đường dây 220kV Trị An – Long Bình 66

8.2.2.2 Đường dây 110kV Phú Lâm – Bà Quẹo 69

8.3 Kết luận 70

Chương 9: Kết luận luận văn 72

Phụ lục 1: Lưu đồ giải thuật để khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220kV, 110kV 73

Phụ lục 2: Lưu đồ giải thuật để khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 35kV 75

Phụ lục 3: Chương trình khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220kV 76

Phụ lục 4: Chương trình khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 110kV 80

Phụ lục 5: Chương trình khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 35kV 84 Tài liệu tham khảo

Chúng ta biết rằng, suất cắt của đường dây phụ thuộc vào xác suất phóng điện trên cách điện và xác suất chuyển thành hồ quang ổn định Xác suất phóng điện trên cách điện lại phụ thuộc chủ yếu vào mức cách điện xung và điện áp trên cách điện của đường dây; còn xác suất chuyển thành hồ quang ổn định phụ thuộc chủ yếu vào gradient điện áp làm việc dọc theo chiều dài cách điện đường dây (giá trị này tỉ lệ nghịch với chiều dài đường phóng điện) Như vậy để giảm suất cắt của đường dây, người ta thường sử dụng các biện pháp là tăng cách điện xung (cũng là tăng chiều dài đường phóng điện) của đường dây, giảm điện trở nối đất của cột điện (để giảm điện áp trên cách điện)

Tuy nhiên, đường dây truyền tải điện là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ thống điện nên chi phí đầu tư để thực hiện các biện pháp giảm suất cắt cũng lớn Vì vậy, để lựa chọn biện pháp giảm suất cắt phù hợp, ta phải so sánh giữa chi phí đầu tư và mức độ làm giảm thiệt hại về kinh tế do giảm suất cắt mang lại

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

1.2.1 Các mục tiêu

ƒ Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống

sét của đường dây 220kV, 110kV và 35kV

ƒ Đưa ra biện pháp hợp lý để giảm suất cắt đối với một đường dây cụ thể sau khi đã so sánh các điều kiện về kinh tế - kỹ thuật

1.2.2 Các nhiệm vụ cụ thể

ƒ Giới thiệu các tính chất vật lý cơ bản của sét và đường lối tổng quát

để tính toán chỉ tiêu chống sét của đường dây

ƒ Các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu chống sét của đường dây

ƒ Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220, 110 và 35kV

ƒ Các biện pháp nhằm làm giảm suất cắt của đường dây

ƒ Sử dụng hoá chất cải thiện đất để làm giảm điện trở nối đất cột điện

ƒ Tính toán kinh tế kỹ thuật để lựa chọn biện pháp thích hợp làm giảm suất cắt của đường dây

Với thời gian ngắn (6 tháng) và một số hạn chế khách quan nhất định, mục tiêu của luận án này là cố gắng khảo sát để thấy mức độ ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây đồng thời đề xuất biện pháp thích hợp để làm giảm suất cắt của đường dây

1.3 Nội dung luận văn

Luận án này trình bày bao gồm các phần chính sau:

+ Đường lối tổng quát để tính chỉ tiêu chống sét của đường dây

+ Khảo sát ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện đến chỉ tiêu chống sét của đường dây 220, 110 và 35kV

+ Giải bài toán về kinh tế và kỹ thuật để đưa ra biện pháp giảm suất cắt tối ưu

CHƯƠNG 2:

CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN VỀ SÉT

2.1 Giới thiệu chung

Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3÷5 km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông

Thực tế sự hình thành các cơn dông luôn luôn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí nóng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng không khí này được tạo thành hoặc do sự đốt nóng mặt đất bởi ánh nắng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh nặng (dông front), luồng không khí nóng ẩm bị đẩy lên trên Sau khi đã đạt được một độ cao nhất định (khoảng vài km trở lên), luồng không khí nóng ẩm này đi vào vùng nhiệt độ

âm, bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ lại thành những giọt nước li ti hoặc thành các tinh thể băng Chúng tạo thành các đám mây dông

Từ lâu người ta đã khẳng định về nguồn tạo ra điện trường khổng lồ giữa các mây dông và mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li

ti và các tinh thể băng của các đám mây dông đó Nhưng do đâu có sự nhiễm điện này của các hạt nước và tinh thể băng cũng như sự phân li các điện tích thì có nhiều giả thiết khác nhau và chưa được hoàn toàn nhất trí

Các giọt nước lớn do trọng lượng của nó rơi xuống gặp các ion tự do (gần mặt đất có khoảng 600 đôi ion trong 1cm3 không khí, càng lên cao mật

độ ion càng cao) bay chậm hơn trong không khí, hấp thụ các ion âm bằng đầu dương của nó ở phía trước và đẩy các ion dương tự do ra xa Kết quả là giọt nước mang điện tích âm thừa Còn các giọt nước bé đã phân cực thì bị các luồng không khí đẩy lên phía trên, hấp thụ các ion dương bằng đầu âm của mình, đẩy ion âm tự do ra xa và do đó mang điện tích dương thừa Như vậy theo giả thiết này, phần dưới của các đám mây dông mang điện tích âm, phù hợp với thực tế là phần lớn các phóng điện sét xuống đất (80÷90%) có cực tính âm Nhưng giả thiết này vẫn chưa giải thích được một thực tế là hơn một nửa thể tích của đám mây không phải được tạo thành từ các giọt nước mà từ các tinh thể băng và bông tuyết mà hình dạng và cấu tạo của chúng làm cho chúng khó có thể bị phân cực bởi điện trường của quả đất

Tóm lại các giả thiết cho đến nay đều chưa giải thích được một cách triệt

để về nguồn điện tích của các đám mây dông và sự phân li chúng, khiến người ta nghĩ rằng trong thực tế có thể có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động và rất phức tạp

Nhưng có một điều chắc chắn là trong suốt cơn dông các điện tích dương

và điện tích âm bị các luồng không khí mãnh liệt tách rời nhau, gắn liền với

sự phân bố các tinh thể băng tuyết trên tầng đỉnh và các giọt nước mưa ở tầng đáy của đám mây dông Sự tách rời điện tích này tùy thuộc vào độ cao của

đám mây, nằm trong khoảng từ 200 đến 10.000m, với tâm của chúng ước khoảng từ 300 đến 2000m Lượng điện tích trong các đám mây tham gia vào cơn sét vào khoảng từ 1 đến 100C và có thể cao hơn Điện thế của các đám mây dông vào khoảng 107 ÷ 108V Năng lượng tỏa ra bởi cơn sét khoảng 250kWh

Kết quả quan trắc cho thấy phần dưới của các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ Cường độ điện trường trung bình nơi đồng nhất thường ít khi quá 1kV/cm, nhưng cá biệt nơi mật độ điện tích cao, hoặc nơi có vật dẫn điện tốt nhô lên cao trên mặt đất điện trường cục

bộ có thể cao hơn nhiều và có thể đạt đến ngưỡng ion hoá không khí (ở mặt đất trị số này 25÷30kV/cm và càng lên cao càng giảm, ở độ cao còn vài km giảm còn khoảng 10kV/cm) sẽ gây ion hoá không khí tạo thành dòng plasma,

mở đầu cho quá trình phóng điện sét phát triển giữa mây dông và mặt đất Quá trình phóng điện sét này gồm các giai đoạn chủ yếu sau:

+ Thoạt tiên xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng đoạn gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105÷106m/s Đấy là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt được gọi là tiên đạo bậc (stepped leader) Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013÷1014 ion/m3 Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh

và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó

Thời gian phát triển tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1μs, tương ứng tia tiên đạo dài thêm trung bình được khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30÷90μs

Điện tích âm từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = σl với l là chiều dài kênh Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một lần phóng điện sét Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích âm của mây dông và điện tích âm trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích cảm ứng trái dấu (điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích cảm ứng sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa, … và nơi đó thường là nơi đổ bộ của sét

Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong mây dông) được xác định bởi điện tích bản thân của kênh

và của điện tích tích tụ ở đám mây Đường đi của kênh trong giai đoạn này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất, phương

có cường độ điện trường cao nhất phụ thuộc vào nhiều nhân tố ngẫu nhiên phức tạp Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó (độ cao định hướng) thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của sự tập trung điện tích ở mặt

đất và ở các vật dẫn nhô khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh Kênh sẽ phát triển theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất Như vậy vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc Trong kỹ thuật người ta đã lợi dụng tính chọn lọc đó để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh hoặc dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét phóng vào đó, hạn chế khả năng sét đánh vào công trình

Ở những vật dẫn có độ cao lớn như các nhà chọc trời, cột điện đường dây cao áp, cột anten các đài thu phát thanh, truyền hình, bưu điện, … thì từ đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều làm cho cường độ điện trường cục bộ tăng cao cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hoá không khí tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn, có thể đạt đến độ cao một vài trăm mét và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó Những đầu thu sét thế hệ mới xuất hiện vào những năm của thập kỷ 80 và 90 thế kỷ 20 chính là đã ứng dụng hiệu ứng này để tăng khả năng đón bắt kênh tiên đạo từ trên mây dông xuống, hạn chế xác suất sét đánh vào công trình được bảo vệ

+ Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất (thời gian vào khoảng 20ms) hoặc tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất (hoặc giữa hai đầu kênh tiên đạo ngược chiều) cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hoá mãnh liệt không khí, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mới có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của kênh tiên đạo (1016÷1019

ion/m3), điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm, hàng ngàn lần, điện tích cảm ứng

từ mặt đất tràn vào dòng ngược này trung hoà điện tích âm của kênh tiên đạo trước đây và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất, làm cho cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp của hai dòng plasma ngược chiều nhau tăng lên gây ion hoá mãnh liệt không khí ở khu vực này và như vậy đầu dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường đã được dọn sẵn bởi kênh tiên đạo Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5.107÷1,5.108m/s tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của dòng tiên đạo Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên kênh phóng điện chủ yếu sáng chói chang (đó chính là tia chớp) Và sự dãn nở đột ngột của không khí bao quanh kênh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (đó là tiếng sấm) Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng lớn Nếu v là tốc độ của phóng điện chủ yếu và σ là mật độ đường của điện tích thì dòng sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng Is = σ.v Giai đoạn kết thúc được đánh dấu khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì điện tích cảm ứng từ mặt đất theo lên, tràn vào và trung hoà với điện tích

âm của nó, một phần nhỏ của số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng

điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số giảm dần tương ứng phần đuôi sóng của xung dòng sét Sự tỏa sáng mờ dần Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng một cơn sét thường gồm nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể đến vài ba chục lần Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106m/s), thường gọi là tiên đạo hình kim (needle leader) cũng còn có tên gọi là tiên đạo hình mũi tên Mỗi lần phóng điện tạo nên một xung dòng sét, các xung sét sau thường có biên độ bé hơn nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu tiên Một cơn sét có thể kéo dài đến 1,33s

Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: đám mây dông

có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau, hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất

Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế của trung tâm điện tích này với các trung tâm điện tích khác kế cận thực tế không thay đổi đáng kể và

ít có ảnh hưởng qua lại giữa chúng Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với các trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do

sự khử ion chưa hoàn toàn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo

đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu Phóng điện sét cũng có thể xảy ra giữa các đám mây mang điện tích khác nhau hoặc giữa các trung tâm điện tích của một đám mây lưỡng cực, tuy nhiên quá điện áp trong hệ thống điện, hỏa hoạn hoặc hư hỏng các công trình trên mặt đất chỉ xảy ra khi có phóng điện sét về phía mặt đất Vì vậy ở đây chỉ xét đến sét giữa mây dông và mặt đất và tác hại của nó đối với hệ thống điện

2.2 Các tham số chủ yếu của sét

Dòng điện sét có dạng một sóng xung Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chầm chậm trong khoảng 20÷100μs, tạo nên phần đuôi sóng

Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu của nó

- Biên độ dòng điện sét với xác suất xuất hiện của nó

- Độ dốc đầu sóng dòng điện sét với xác suất xuất hiện của nó

- Độ dài sóng dòng điện sét (tức thời gian cho đến khi dòng sét giảm bằng 1/2 biên độ của nó)

- Cực tính dòng sét

Ngoài ra phải biết cường độ hoạt động trung bình của sét tức là số ngày

có dông sét trung bình hoặc tổng số giờ có dông sét trung bình trong một năm

ở mỗi khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình của sét trong khu vực đó, tức là

số lần sét đánh vào một đơn vị diện tích mặt đất (1km2) trong một ngày sét

CHƯƠNG 3:

ĐƯỜNG LỐI TỔNG QUÁT ĐỂ TÍNH

CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

3.1 Đường lối tổng quát để tính toán chỉ tiêu chống sét của đường

dây tải điện

Đường dây tải điện trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ thống điện nên thường 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 đường dây đưa đến cắt điện mà còn có thể truyền theo đường 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 gây phóng điện ngược ở các đoạn đường dây gần trạm

Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng: hoặc

do sét đánh vào dây dẫn, hoặc do sét đánh gần đường dây gây nên quá điện áp cảm ứng Trường hợp đầu là nguy hiểm nhất vì đường dây chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét và việc bảo vệ chống sét cho đường dây chính là nhằm hạn chế quá điện áp trong trường hợp này

Như ta đã biết, sét với tham số cao (biên độ, độ dốc) xuất hiện với xác suất bé, nên sẽ không hợp lý nếu lựa chọn cách điện đường dây thỏa mãn quá điện áp lớn nhất có thể xảy ra mà chỉ chọn theo một mức độ hợp lý về kinh tế

và kỹ thuật Như vậy, yêu cầu bảo vệ chống sét đối với đường dây tải điện không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng xảy ra sự cố do sét mà chỉ có thể giảm số lần sự cố tới một giới hạn hợp lý về kinh tế, tương ứng với một tổn thất bé nhất Nói một cách khác, phải so sánh chi phí đầu tư cho các biện pháp tăng cường chống sét với tổn thất cho nền kinh tế quốc dân do mất điện khi đường dây bị cắt điện do quá điện áp khí quyển, để tìm một lời giải tối ưu Nhiệm vụ chính của luận văn là nhắm đến mục tiêu này

Sau đây là đường lối tổng quát để xác định chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện:

3.1.1 Số lần sét đánh vào đường dây tải điện trên không

Khi xác định phạm vi bảo vệ của dây chống sét đã nhận thấy xác suất sét đánh vào đường dây phụ thuộc vào độ treo cao của dây dẫn trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét) Nếu h là độ treo cao trung bình của dây trên cùng thì phạm vi bề rộng B = 2 h về một phía của đường dây, toàn bộ số lần sét đánh sẽ vào dây dẫn Khi B > 2 h thì xác suất sét đánh vào dây dẫn giảm dần

và khi B ≥ 5 h thì toàn bộ số lần sét đánh đều xuống đất Như vậy trung bình

có thể tính, khi B ≤ 3 h về mỗi phía của dây dẫn thì toàn bộ sét đánh vào dây dẫn Hay nói cách khác, dây dẫn có khả năng thu toàn bộ số lần sét đánh về phía mình trong phạm vi B ≤ 6 h ở cả hai phía của nó

Nếu đường dây có chiều dài bằng L thì diện tích của khu vực 100% sét đánh vào đường dây là 6 h L đối với đường dây có một dây chống sét và (6 h +s)L đối với đường dây có hai dây chống sét, với s là khoảng cách giữa hai dây chống sét

Gọi m là mật độ sét trung bình trong mỗi ngày có dông sét và n là số ngày có dông sét trung bình mỗi năm trong khu vực có đường dây đi qua, thì

số lần sét đánh trung bình vào đường dây trong 1 năm:

N = 6 h L.m.n.10-3 đối với đường dây có 1 dây chống sét

N = (6 h +S)L.m.n.10-3 đối với đường dây có 2 dây chống sét

trong đó h tính bằng m và L tính bằng km

3.1.2 Số lần phóng điện của cách điện đường dây

Phóng điện trên cách điện chỉ xảy ra khi quá điện áp khí quyển có trị số cao hơn hoặc bằng mức cách điện xung (U0,5) của đường dây Xác suất xuất hiện dòng sét bằng hoặc lớn hơn mức chịu sét đó của đường dây cũng chính là xác suất phóng điện vp trên cách điện đường dây Như vậy số lần phóng điện trên cách điện đường dây trong một năm bằng:

Np = 6 h L.m.n.vp.10-3 đối với đường dây có 1 dây chống sét

Np = (6 h +S)L.m.n.vp.10-3 đối với đường dây có 2 dây chống sét

3.1.3 Số lần cắt điện đường dây do sét

Không phải bất cứ lần phóng điện nào của cách điện đường dây đều đưa đến cắt điện mà cắt điện đường dây chỉ xảy ra khi phóng điện tia lửa xung chuyển thành phóng điện hồ quang ổn định, duy trì bởi điện áp làm việc của đường dây Thời gian cần thiết để phóng điện tia lửa phát triển thành hồ quang ổn định bằng hoặc lớn hơn thời gian tác động của rơle bảo vệ, tức không nhỏ hơn một nửa chu kỳ tần số công nghiệp (0,01s), trong khi đó thời gian tồn tại của quá điện áp khí quyển thường ít khi vượt quá 100μs (10-4s) Xác suất chuyển từ phóng điện tia lửa thành phóng điện ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố (như công suất nguồn, điều kiện khí tượng, …) trong

đó quan trọng nhất là gradient điện áp dọc theo chiều dài cách điện (tức là điện áp trên một đơn vị chiều dài của cách điện đường dây) Gradient điện áp làm việc càng cao thì điện dẫn trong khe phóng điện càng duy trì lâu, do đó việc chuyển thành hồ quang càng thuận lợi

Xác suất chuyển thành hồ quang ổn định η được xác định bằng thực nghiệm Đối với đường dây tải điện từ 220kV trở xuống có cột sắt hoặc bê tông cốt sắt, có thể tính với η = 0,7

Số lần cắt điện đường dây do sét hằng năm bằng:

Nc = 6 h L.m.n.vp.η.10-3 đối với đường dây có 1 dây chống sét

Nc = (6 h +S)L.m.n.vp.η.10-3 đối với đường dây có 2 dây chống sét

Để so sánh khả năng chịu sét của các đường dây có thông số khác nhau,

đi qua những vùng có hoạt động của sét khác nhau, thường dùng suất cắt điện đường dây nc, tức là số lần trung bình cắt điện hàng năm do sét trên 100km đường dây

nc = 0,6 h L.m.n.vp.η đối với đường dây có 1 dây chống sét

nc = (6 h +S)L.m.n.vp.η.10-1 đối với đường dây có 2 dây chống sét

Từ công thức trên ta có nhận xét: muốn giảm suất cắt điện đường dây phải giảm xác suất phóng điện vp và xác suất hình thành hồ quang ổn định η Mặt khác vp = P{Ucd ≥ U0,5} do đó để giảm xác suất phóng điện, tùy trường hợp cụ thể có thể bằng cách tăng cường cách điện đường dây để tăng mức cách điện xung U0,5 của đường dây, bằng cách treo dây chống sét (hoặc tăng số dây chống sét) để giảm số lần sét đánh thẳng vào dây dẫn và giảm điện áp tác dụng trên cách điện, bằng cách giảm điện trở nối đất cột điện để giảm điện áp tác dụng trên cách điện

3.2 Sét đánh trực tiếp vào đường dây không có dây chống sét

Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn là trường hợp nguy hiểm nhất vì phần lớn các trường hợp đều đưa đến phóng điện trên cách điện đường dây

Ở đây sẽ trình bày phương pháp đơn giản, gần đúng để xác định suất cắt điện đường dây do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn

Giả thiết toàn bộ số lần sét đánh đều vào dây dẫn (bỏ qua khả năng sét đánh vào cột, chiếm khoảng 20% số lần sét đánh vào đường dây)

Tại nơi sét đánh, tổng trở của khe sét Zs nối tiếp với tổng trở sóng tương đương của dây dẫn ZDD/2 do đó dòng chạy qua khe sét bằng:

I = Is

2

ZZ

ZDD s

s+

Nếu nhận gần đúng Zs = ZDD/2 = 400/2 = 200Ω thì dòng trong khe sét bằng Is/2, tức bằng nửa trị số dòng khi sét đánh vào nơi có nối đất tốt Và dòng chạy về mỗi phía của dây dẫn tính từ nơi sét đánh bằng Is/4 Nó sẽ tạo nên trên dây dẫn sóng áp bằng:

UDD = Is.ZDD/4 = 100IsNếu trị số của quá điện áp này lớn hơn mức cách điện xung của cách điện đường dây UDD ≥ U0,5 thì sẽ gây nên phóng điện Vì mức cách điện xung của đường dây cột sắt (hoặc bê tông cốt sắt) và của đường dây cột gỗ khác nhau nhiều, xác suất phóng điện do đó cũng khác nhau nên cần xét riêng biệt

3.2.1 Đường dây cột sắt hoặc bê tông cốt sắt

Trong trường hợp này, cách điện của đường dây tại cột điện chỉ là chuỗi

sứ và các khoảng cách không khí giữa dây dẫn và cột Phóng điện sẽ xảy ra nếu: UDD = 100Is ≥ U0,5

Điều kiện này ứng với khi dòng sét vượt quá mức chịu sét (hay mức bảo

vệ chống sét) của đường dây:

Is ≥ Ibv = U0,5/100 Như vậy điều kiện phóng điện trong phương pháp tính toán gần đúng này chỉ phụ thuộc vào biên độ của dòng sét mà không phụ thuộc vào độ dốc đầu sóng của nó Vì tất cả các trường hợp sét đánh với biên độ Is ≥ Ibv đều dẫn đến phóng điện trên cách điện đường dây, nên xác suất phóng điện vp cũng chính

là xác suất xuất hiện dòng sét có biên độ lớn hơn hoặc bằng mức bảo vệ chống sét của đường dây

vp = vibv = 60

i 26

ibv bv10

e− = −Sét thường chỉ đánh vào một pha: pha trên cùng khi dây dẫn bố trí hình tam giác, hoặc pha ngoài cùng khi dây dẫn nằm trên cùng mặt phẳng ngang Nếu điều kiện chuyển từ phóng điện tia lửa xung thành phóng điện hồ quang

ổn định, duy trì bởi điện áp làm việc, được thực hiện thì sẽ dẫn đến ngắn mạch chạm đất một pha Như vậy xác suất hình thành hồ quang ổn định η và

do đó khả năng cắt điện đường dây còn phụ thuộc vào phương thức nối điển đất trung tính của hệ thống

3.2.1.1 Đối với đường dây thuộc hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất, tức là (đối với nước ta) đường dây thuộc các cấp điện áp từ 110kV trở lên, khi có ngắn mạch chạm đất một pha, bộ phận rơ le bảo vệ sẽ làm việc và cắt nhanh đường dây sự cố Suất cắt điện nc được tính theo

nc = 0,6 h n.m.vp.η đối với đường dây có dây dẫn bố trí theo hình tam giác

nc = (6 h +s).n.m.vp.η đối với đường dây có dây dẫn cùng nằm trên mặt phẳng ngang, với s là khoảng cách giữa hai dây dẫn ngoài cùng

3.2.1.2 Đối với đường dây thuộc hệ thống có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, thường là các cấp điện áp 35kV trở xuống, chạm đất một pha không yêu cầu cắt điện đường dây ngay, mà chỉ khi phóng điện phát triển thêm ở 1 hoặc 2 pha còn lại đưa đến ngắn mạch hai, ba pha thì đường dây mới cắt điện

Hình 3.1 Giả thiết sét đánh vào pha A và gây phóng điện ở trên chuỗi cách điện của pha này

Chọn trường hợp nguy hiểm nhất là sét đánh vào dây dẫn ở gần cột, vì khi cách điện pha A bị phóng điện thì gần như toàn bộ dòng sét đi qua cột để vào điện trở nối đất của cột điện (do Rx << ZDD/2) Lúc này điện thế của cột,

xà bằng điện thế trên dây dẫn pha A và gần bằng điện thế giáng trên Rx

Ucột = UDD(A) ≈ Is.Rx

Trên dây dẫn các pha còn lại do hiện tượng cảm ứng tĩnh điện sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng bằng kd.Is.Rx với kd là hệ số ngẫu hợp động (có tính đến ảnh hưởng của vầng quang xung) của dây dẫn các pha C hoặc pha B đối với dây dẫn pha A

Như vậy cách điện của các pha không bị sét đánh này (C hoặc B) chịu tác dụng của một điện áp bằng:

UA – UB = UA – UC = Is.Rx - kd.Is.Rx = Is.Rx.(1 – kd)

và phóng điện trên cách điện pha B hoặc C sẽ xảy ra nếu:

Is.Rx.(1 – kd) ≥ U0,5Hay Is ≥

)k1(R

Ud x

5 , 0

3.2.2 Đường dây cột xà gỗ

Hình 3.2: Các khả năng phóng điện của đường dây cột xà gỗ

Khi sét đánh vào dây dẫn pha A của đường dây cột xà gỗ có thể gây nên phóng điện theo hai đường:

+ Xuống mặt đất theo đường (a), một phần xuyên qua khoảng cách không khí giữa dây dẫn và cột, một phần men theo thân cột, mức cách điện xung của đường (a) là:

U(a)0,5 = Uch.s0,5 + 100.hDDĐiều kiện phóng điện theo đường (a): Is ≥ I(a)bv = U(a)0,5/100

+ Theo đường (b) gồm hai chuỗi sứ và chiều dài đoạn xà gỗ giữa hai pha Mức cách điện xung theo đường (b) là: U(b)0,5 = 2.Uch.s0,5 + 100.LA-B (LA-Bchiều dài đoạn xà gỗ giữa hai chuỗi sứ)

Khi trên pha A có sóng áp UADD =100Is thì trên pha B sẽ xuất hiện điện

Ud

) b ( 5 , 0

−Đối với đường dây cột xà gỗ còn phải kể đến một nhân tố rất quan trọng làm giảm suất cắt điện của đường dây, đó là:

+ Gỗ tham gia vào mức cách điện xung của đường dây, bình quân mỗi mét gỗ chịu được khoảng 100kV dạng xung quá điện áp khí quyển

+ Xác suất chuyển thành hồ quang ổn định rất bé do chiều dài đường phóng điện lớn

3.3 Sét đánh trên đường dây có dây chống sét

3.3.1 Sét đánh vào dây dẫn

(a) (b)

Khi đường dây có dây chống sét thì phần lớn số lần sét đánh vào dây chống sét Tuy nhiên cũng còn một số ít lần sét đánh vòng qua khu vực bảo vệ của dây chống sét vào dây dẫn với xác suất vα như sau:

lg vα =

90

hcα

- 4 với α - góc bảo vệ của dây chống sét (o)

hc - chiều cao của cột điện (m)

Khi sét đánh vào dây dẫn thường gây nên phóng điện trên chuỗi sứ với xác suất tương đối lớn Xác suất phóng điện trên chuỗi sứ trong trường hợp này được tính xuất phát từ sự so sánh UDD với U0,5 của chuỗi sứ:

UDD = 100Is ≥ U0,5 ⇒ Is ≥ Ibv = U0,5/100

vpd = 100 26

U0,5e

− = 100 60

U 0 , 5

10

−

3.3.2 Sét đánh vào dây chống sét

Trong trường hợp này, đặc điểm của quá trình và ảnh hưởng của các yếu

tố tác động (biên độ và độ dốc của dòng sét, điện trở nối đất, chiều cao của cột, chiều dài khoảng vượt) sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí sét đổ bộ vào cột hay vào dây chống sét ở gần cột hoặc vào dây chống sét trong khoảng vượt Một phương pháp tính toán tổng quát cho trường hợp này rất phức tạp Ở đây chỉ xét hai trường hợp giới hạn là khi sét đánh vào đỉnh cột và khi sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt

3.3.2.1 Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét ở gần cột

Hình 3.3: Phân bố dòng sét khi sét đánh vào đỉnh cột Khi sét đánh vào đỉnh cột (hình 3.3) do điện trở tản xung của nối đất cột điện Rx nhỏ hơn nhiều so với tổng trở sóng của dây chống sét (Rx<<ZDCS) nên phần chủ yếu của dòng sét sẽ đi qua cột (ic) vào điện trở nối đất của cột để tản vào đất, còn phần nhỏ theo dây chống sét đi đến bộ phận nối đất của các cột điện kế cận, về hai phía của cột bị sét đánh

Điện áp tác dụng lên cách điện đường dây tại nơi bị sét đánh gồm các thành phần sau:

+ Điện áp giáng trên điện trở tản xung của nối đất cột điện bị sét đánh

UR = icRx+ Thành phần điện áp cảm ứng từ Ut

CGồm hai thành phần gây nên bởi dòng chạy qua cột tác dụng lên điện cảm của cột LDD

C dt

dic

và bởi dòng điện trong khe sét is tác dụng lên hỗ cảm

giữa khe sét và mạch vòng kín MDD

S dt

diS (hình 3.4)

Hình 3.4

Ut

C= LDD

C dt

dic + MDD

S dt

diS Trong đó:

C vì trong giai đoạn phóng điện tiên đạo, dây chống sét có tác dụng màn che làm giảm số lượng điện tích cảm ứng trên dây dẫn Trong giai đoạn phóng điện chủ yếu các điện tích dương được giải phóng di chuyển trên dây dẫn, sẽ cảm ứng trên dây chống sét những điện tích âm, có tác dụng làm giảm điện thế trên dây dẫn

i s

i c

MDD S

LDD C

Z DD Z DD

d c

h

hk1U

c

U theo biểu thức sau:

)Hvt)(

hvt(H.hh

)1(

hvtln

ha1,0U

cs 2

cs DD

' d

Δβ

+

+β

Nếu điện áp trên dây chống sét là Ucs thì thành phần này sẽ bằng -kUcs

với k là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét (do sự phản xạ nhiều lần của sóng áp trên các cột điện lân cận làm cho áp trên dây chống sét giảm, nên có thể bỏ qua hiện tượng vầng quang trên dây chống sét, do đó tính với hệ

số ngẫu hợp tĩnh)

Ucs = Rx.ic + Lcs

cdt

dic + Mcs

dt

diS

Dấu "-" để nói rằng thành phần điện áp cảm ứng trên dây dẫn do dòng điện chạy trong dây chống sét gây nên ngược dấu với Ucs, tức ngược dấu với dòng sét

Bốn thành phần trên là do dòng sét gây nên, trong đó UR + Ut

C = Ucột tạo nên điện thế trên thân cột ở độ cao của xà treo chuỗi sứ (cùng dấu với dòng sét), còn Ud

C và UNH

DD là điện áp cảm ứng trên dây dẫn, chúng có dạng xung (ngược dấu với dòng sét)

+ Ngoài ra đối với đường dây thuộc các cấp điện áp cao, còn có thể tính thêm điện áp làm việc của đường dây, Ulv Thành phần này do nguồn xoay chiều gây nên, được tính bằng giá trị trung bình trong một nửa chu kỳ của điện áp pha, và chọn ngược dấu với điện thế xung của cột (tức ngược dấu với dòng sét) để có điện áp tác dụng lên cách điện lớn nhất, nguy hiểm nhất

Ulv = T∫/2 ω

0

dm sin tdt3

UT

2

= π

2

Upmax =

π

2.3

dic + a[M cs

Cần phân biệt hai trường hợp:

ƒ Khi chưa có sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về, t <

c

l

2 kv

; tính toán theo sơ đồ thay thế như hình 3.5

Hình 3.5: Sơ đồ thay thế về phân bố dòng sét khi t <

c là điện cảm của cột tính đến độ treo cao dây chống sét

Rx là điện trở tản xung của nối đất cột điện

Mcs

c là hỗ cảm giữa khe sét và mạch vòng "Dây chống sét - Đất"

Từ sơ đồ thay thế ta có thể viết hệ phương trình

a cs s

M (t)

vq cs

Z /2

cs cL

R x

i c (t)

+

=

=

0)t(aM2

Z)t(i2dt

)t(diL)t(iR

)t(i2)t(iat)t(i

cs s

vq cs cs

c cs c c

x

cs c

s

vq cs x

vq cs

Z)t(M2t

ZR2Za

x

vq cs

vq cs c

R2Z

aZdt

)t(di

+

≈

với α1 = cs

c x

vq csL2

R2

Hình 3.6: Sơ đồ thay thế về phân bố dòng sét khi t ≥

+

=

=

0)t(aM2

LL2

R)t(i2dt

)t(diL)t(iR

)t(i2)t(iat)t(i

cs s

cs c cs x cs

c cs c c

x

cs c

R2

)t(M2

L −

(1 - e− α2t)

t 2 x

cs s cs

R2

)t(M2Ladt

)t(

xL2L

R2+

aMcss (t)

2/)LL

c

cs +cs

Trong các công thức trên Lcs là điện cảm của dây chống sét trong một khoảng vượt

Biểu thức Ucd(t) ở trên chỉ đúng trong khoảng thời gian đầu sóng dòng sét Vì sau thời gian đầu sóng các thành phần điện áp cảm ứng đều giảm, làm cho điện áp trên cách điện giảm theo Vì vậy, hiển nhiên phóng điện trên chuỗi sứ chỉ có thể xảy ra trong khoảng thời gian đầu sóng dòng sét

Phương pháp xác định xác suất phóng điện khi sét đánh ở đỉnh cột

Nếu vẽ quan hệ của điện áp trên cách điện theo t: Ucd(t), ứng với các độ dốc đầu sóng khác nhau của dòng sét a1, a2, , ai thì giao điểm của chúng với đường đặc tính volt-giây của chuỗi sứ cách điện sẽ cho thời gian phóng điện

Hình 3.8: Đường cong thông số nguy hiểm Đường cong thông số nguy hiểm phụ thuộc vào điện trở nối đất Rx của cột điện Rx càng nhỏ thì điện áp tác dụng lên cách điện đường dây Ucd càng thấp (chuỗi cách điện có khả năng chịu dòng sét có tham số càng cao), vùng nguy hiểm P càng hẹp

Xác suất phóng điện trên chuỗi cách điện là xác suất xuất hiện dòng sét đồng thời có độ dốc và biên độ nằm trong vùng nguy hiểm P:

vp = ∫∫

) P (

s

s,a)di dai

(f

Với f(is, a) là hàm mật độ xác suất xuất hiện dòng sét có biên độ is và độ dốc a Tích phân được thực hiện trong toàn vùng nguy hiểm P

Cho đến nay tất cả các đo đạc thống kê về thông số dòng sét cho thấy giữa biên độ is và độ dốc a không có một quan hệ toán học chặt chẽ, do đó coi gần đúng chúng như những biến số độc lập và tính xác suất phóng điện trên chuỗi cách điện bằng tích của xác suất xuất hiện những biến số ngẫu nhiên độc lập đó:

vp = ∫∫

) P (

s 2 s

1(i f (a)di da

0

s s

idv

v = ∫1

0 i

advv

Với f1(is) và f2(a) tương ứng là hàm mật độ xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ is và độ đốc a

Từ đường cong thông số nguy hiểm có thể xây dựng đường cong xác suất xuất hiện dòng sét có thông số nguy hiểm như sau: ứng với mỗi điểm k trên đường cong thông số nguy hiểm, k(ak, isk) tính xác suất:

Hình 3.9: Đường cong xác suất va = f(vi) Xác suất phóng điện của cách điện vp về trị số bằng diện tích giới hạn bởi đường cong va(vi) và hai trục tọa độ tương ứng với tỉ lệ xích đã chọn

Sau khi đã xác định được xác suất phóng điện vp thì quá trình tính toán suất cắt đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột cũng tương tự như các trường hợp khác

3.3.2.2 Sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt

Thực tế sét có thể đánh vào vị trí bất kỳ nào trên dây chống sét trong khoảng vượt, nhưng việc tính toán chính xác như vậy khá phức tạp và khối lượng tính toán khá lớn, do đó đã dùng trường hợp giới hạn: sét đánh vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt để tiêu biểu cho trường hợp sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt, nhằm đơn giản hóa và giảm khối lượng tính toán

Khi sét đánh vào dây chống sét ở chính giữa khoảng vượt thì về lý thuyết

có thể gây ra phóng điện ở hai nơi: Hoặc trên khoảng cách không khí A-B giữa dây chống sét và dây dẫn ở chính giữa khoảng vượt; Hoặc sóng quá điện

áp do sét gây nên chạy về các cột kế cận M, N và gây ra phóng điện trên chuỗi sứ

+ Xét khả năng phóng điện trong khoảng cách không khí A-B

Hình 3.10a: Sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt

và các khả năng phóng điện trên cách điện đường dây

Khi sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt, điện áp tác dụng lên khoảng cách không khí s giữa dây chống sét và dây dẫn được xác định theo sơ

đồ thay thế (hình 3.10b), trong đó chấp nhận giả thiết gần đúng là tổng trở sóng khe sét Zs bằng nửa tổng trở sóng dây chống sét: Zs = Zcs/2 và bỏ qua điện trở nối đất của dây chống sét vì Rx << Zcs

Hình 3.10b Đường cong biến thiên điện áp trên dây chống sét tại điểm A giữa khoảng vượt được trình bày như trên hình 3.10c

Hình 3.10c Khi chưa có sóng phản xạ từ điện trở nối đất của các cột điện lân cận trở

về (t < τ = l/v) điện áp trên dây chống sét được tính gần đúng theo:

Ucs(t) = Zcsis(t)/4 = Zcs.at/4 Sau khoảng thời gian τ = l/v tại điểm A đồng thời xuất hiện sóng phản xạ

âm toàn phần từ điện trở nối đất của hai cột điện lân cận trở về (vì Rx << Zcs)

và điện áp trên dây chống sét đạt đến trị số cực đại xác định theo:

Ucs max =

v

l.4

alZ

Ucsmax = cs

4

atZ

Ucsmax =− cs

−

4

atZ

Ucsmax = cs

0 τ τ ds

UAB = Ucs - UDD = (1-kd)Zcs

v4al

Trong công thức trên bỏ qua các thành phần điện áp cảm ứng và điện áp làm việc, vì chúng nhỏ hơn nhiều so với điện áp do sét đánh trực tiếp

Điều kiện để xảy ra phóng điện trên khoảng cách không khí s là:

UAB = (1-kd)Zcs

v4

al ≥ E( k )

x s ≥ U( k )

5 , 0Với E( k )

x là cường độ điện trường phóng điện xung của không khí (trong khoảng thời gian đầu sóng) có thể tính gần đúng bằng 700kV/m

Giả thiết lấy gần đúng Zcs = 400Ω, kd = 0,3 thì có thể xác định được độ dốc đầu sóng dòng sét nguy hiểm tức là điều kiện phóng điện theo:

a ≥ anh ≈

lZ)k1(

s.v.4E

cs d

) k ( x

s.400)3,01(

3000.4.700

s

Từ đó suy ra xác suất phóng điện:

vp = e− a nh / 15 , 7 = 10− a nh / 36+ Khả năng phóng điện tại chuỗi sứ:

Khi sét đánh vào dây chống sét ở giữa khoảng vượt, còn phải xét khả năng phóng điện trên chuỗi sứ khi sóng truyền đến cột điện Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ gồm các thành phần sau:

- Điện áp giáng trên điện trở nối đất cột điện

Dòng sét chạy về mỗi bên của dây chống sét bằng is(t)/4, tại điện trở nối đất của cột do Rx << Zcs, coi như sóng (dòng) phản xạ dương toàn phần, do đó:

1 cs s

c , còn điện áp cảm ứng gây nên bởi dòng điện trong khe sét (Ms.dis/dt) thực tế không đáng kể vì khe sét ở cách xa cột Cũng vì lý do như vậy, có thể bỏ qua thành phần cảm ứng điện

- Điện áp ngẫu hợp trên dây dẫn UDD = -kdUcs

- Điện áp làm việc, cần tính đến đối với đường dây các cấp điện áp cao

1 R 2

) t (

c x