(Luận văn thạc sĩ) phân bố dòng qua máy biến áp khi sét đánh bất kỳ một điểm trên đường dây

- Sử dụng phần mềm Matlab chạy mô phỏng - Phân tích các kết quả và đề ra hướng phát triển IV Phạm vi ứng dụng - Làm tài liệu để giảng dạy - Giúp cho người thiết kế hệ thống điện V Nội d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH MINH SANG

PHÂN BỐ DÒNG QUA MÁY BIẾN ÁP KHI SÉT ĐÁNH BẤT KỲ MỘT ĐIỂM TRÊN ĐƯỜNG DÂY

NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 60 52 50

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH MINH SANG

PHÂN BỐ DÒNG QUA MÁY BIẾN ÁP KHI SÉT ĐÁNH BẤT KỲ MỘT ĐIỂM TRÊN ĐƯỜNG DÂY

NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 60 52 50

Hướng dẫn khoa học:

TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 82, huyện Châu Thành, tỉnh Sóc Trăng

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0913.711.099 Fax: E-mail: trinhminhsang181@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Nơi học: Trường Đại học Cần Thơ

Ngành học: Kỹ Thuật Điện

2 Thạc sĩ:

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Tên luận văn: Phân bố dòng qua MBA khi sét đánh bất kỳ một điểm trên đường dây Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 21/11/2012 - Hội đồng trường ĐHSPKT-TP.HCM Người hướng dẫn: TS Hồ Văn Nhật Chương

3 Trình độ ngoại ngữ: tiếng Anh – cấp độ B1

4 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:

Văn bằng Kỹ sư Điện, số hiệu 0211482, cấp ngày 10 tháng 10 năm 2008

Nơi cấp Trường Đại học Cần Thơ

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 10 tháng 10 năm 2012

Người khai ký tên

Trịnh Minh Sang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2012

Ký tên

Trịnh Minh Sang

LỜI CẢM ƠN

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

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

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

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

Xin chân thành cảm ơn tất cả! Cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2012

Ký tên

Trịnh Minh Sang

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Mục lục vi

Chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xxi

MỞ ĐẦU 1

Đặt vấn đề 1

Mục đích của đề tài 1

Phương pháp nghiên cứu 1

Phạm vi ứng dụng 2

Nội dung luận văn 2

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Đánh giá, phân tích bài báo 3

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

1.2.2 Ưu điểm của các bài báo 5

1.23 Hạn chế của các bài báo 5

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 6

1.4 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài 6

1.4.1 Phạm vi nghiên cứu 6

1.4.2 Giới hạn đề tài 6

1.5 Điểm mới của luận văn 7

1.6 Kế hoạch thực hiện 7

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TẦN SỐ VÀ CÁC VẤN ĐỀ NỐI ĐẤT VÀ HỆ THỐNG DÂY CHỐNG SÉT 8

2.1 Phương pháp đặc tính tần số 8

2.2 Các vấn đề về hệ thống nối đất 11

2.2.1 Các dạng nối đất 11

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

2.2.3 Hệ thống nối đất trạm biến áp 13

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

2.2.4.1 Bảo vệ chống sét đường dây tải điện 15

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

2.2.4.3 Sét đánh trên đường dây có dây chống sét 16

2.2.4.4 Khi có hai dây chống sét 16

2.2.5 Bảo vệ chống sét trạm biến áp 16

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

Chương 3 XÁC ĐỊNH TỔNG TRỞ THEVENIN CỦA ĐƯỜNG DÂY CHỐNG SÉT – CỘT ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG SÉT 20

3.1 Thành lập công thức tính tổng trở hệ thống 20

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

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

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

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

3.2 Phương pháp tính dòng sét đơn giản 29

3.2.1 Tính toán trở kháng 30

3.2.2 Tính toán dòng điện 30

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

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

3.3 Đề xuất 36

Chương 4 KHẢO SÁT DÒNG QUA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MÁY BIẾN ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRÊN ĐƯỜNG DÂY CHỐNG SÉT 38

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

4.1.1 Các trường hợp sự cố sét đánh 39

4.1.2 Các thông số của đường dây chống sét 41

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

4.1.3.1 Trường hợp sét đánh tại cột cổng 41

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

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

4.1.4.1 Trường hợp sét đánh tại cột cổng 55

4.1.4.2 Trường hợp sét đánh tại vị trí bất kỳ k 59

4.2 Nhận xét chung 68

Chương 5 KHẢO SÁT DÒNG QUA CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 70

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

5.1.1 Các trường hợp sự cố sét đánh 73

5.1.2 Các thông số của đường dây truyền tải 73

5.1.3 Các thông số của máy biến áp 74

5.1.4 Khảo sát phần trăm dòng điện qua cuộn dây máy biến áp so với dòng sét 74 5.1.4.1 Trường hợp sét đánh tại đầu cực MBA 74

5.1.4.2 Trường hợp sét đánh tại vị trí bất kỳ k 84

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

5.1.5.2 Trường hợp sét đánh tại vị trí bất kỳ k 104

5.2 Nhận xét chung 114

Chương 6 Kết luận 115

6.1 Kết luận 115

6.2 Hướng phát triển của đề tài 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

PHỤ LỤC 120

PHỤ LỤC 1: Chứng minh các công thức 120

1 Chứng minh công thức 3.17 120

2 Chứng minh công thức 3.24 122

3 Tính toán thông số đường dây chống sét 123

4 Tính toán thông số đường dây truyền tải 123

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

PHỤ LỤC 2: Chương trình mô phỏng 129

PHỤ LỤC 3: Bảng số liệu 139

MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây thế giới phải chịu sự biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng gay gắt, thiên tai diễn ra liên miên Việt nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất do sự thay đổi khí hậu này Khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh và phát triển của giông sét Theo số liệu của Viện Nghiên cứu sét Gia Sàng Thái Nguyên thì tại Việt Nam, sét có cường độ mạnh được ghi nhận bằng dao

sét để bảo vệ hệ thống lưới điện cũng là một trong những vấn đề quan trọng để đảm bảo cho nguồn năng lượng cung cấp cho quốc gia được thông suốt hay chính là chất lượng điện năng được đảm bảo tính liên tục

Vấn đề chống sét cho hệ thống điện quốc gia được nghiên cứu rất nhiều cho hệ thống bảo vệ trạm, đường dây, cột điện Việc xác định ảnh hưởng của dòng sét đối với máy biến áp như thế nào là rất quan trọng Tuy nhiên các nghiên cứu tập trung nhiều việc tính toán các điện cực nối đất chứ chưa tập trung nghiên cứu sâu vào việc tính toán phân bố dòng điện vào máy biến áp trong trường hợp có sét đánh

Chính vì vậy mà tôi đã chọn đề tài luận văn “Khảo sát dòng qua máy biến áp khi sét đánh bất kỳ một điểm trên đường dây”

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

III Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Dùng phương pháp Fourier nghiên cứu đặc tính tần số

- Sử dụng phần mềm Matlab chạy mô phỏng

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

IV Phạm vi ứng dụng

- Làm tài liệu để giảng dạy

- Giúp cho người thiết kế hệ thống điện

V Nội dung luận văn

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

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

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

Chương 3: Xác định tổng trở Thevenin của đường dây chống sét – cột điện và phương pháp tính toán phân bố dòng sét

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

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

Chương 6: Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

đi nơi khác…

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

đã được thực hiện từ lâu Nhiều vấn đề đã được nghiên cứu trên các tạp chí và báo cáo nghiên cứu khoa học hằng năm như: Tính toán điện cực nối đất và các giải pháp giảm điện trở của trang bị nối đất [3]; Formulas for calculating physical grounding resistance of grounding wire – electric pole system of high voltage transmission line [8]; Modelling of Long Grounding Conductors Using EMTP [17]; Simple methods

of measuring resistance between electrodes [14]…

1.2 Đánh giá, phân tích bài báo

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

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

Hệ thống có n khoảng vượt, ở dưới chân mỗi cột điện có điện trở nối đất R c và điện trở của dây chống sét trong mỗi khoảng vượt R cs Đường dây được nối vào trạm biến áp cao thế tại điểm 0

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

cs c cs n

cs c cs

n cs c cs n

cs c cs

R R R b

R R R b

R R R b

R R R b Z

2 2

2 2

2 1

4 4

4 4

cs c cs cs

R hay

R R R Z

R R R R

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

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

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

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

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

- Bước 2: Xác định khoảng vượt tới hạn

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

Bảng 1.2: Dùng để xác định khoảng vượt tới hạn

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

c dcs

R

R R

R

4

1 2 1

cs c

cs c

dcs

R

R n R

R R

R

4

1.2.2 Ưu điểm của các bài báo

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

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

1.23 Hạn chế của các bài báo

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

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

- Chưa khảo sát ảnh hưởng của các thông số khi dòng sét qua hệ thống nối đất của trạm biến áp cao thế

 Chính vì vậy đề tài tôi tập trung vào xét ảnh hưởng của các thông số khi dòng sét qua hệ thống nối đất của trạm biến áp cao thế

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

Việc xác định dòng điện qua hệ thống nối đất của trạm biến áp cao thế quyết định biên độ và điện áp phân phối dọc lưới nối đất là vấn đề vô cùng quan trọng trong việc tính toán dòng điện qua hệ thống nối đất khi có sét đánh ở dây chống sét Bên cạnh đó việc khảo sát ảnh hưởng dòng sét đến máy biến máy như thế nào là rất quan trọng Vì vậy đề tài tôi tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:

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

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

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

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

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

1.4 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài

1.4.1 Phạm vi nghiên cứu

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

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

- Chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab

1.4.2 Giới hạn đề tài

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

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

1.5 Điểm mới của luận văn

- Xác định tổng trở Thevenin của đường dây

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

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

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

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

1.6 Kế hoạch thực hiện

Từ tháng 10/05/2012 đến 10/10/2012:

- Thu thập tài liệu

- Hoàn thành đề cương chi tiết

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

Từ 06/2012 đến 07/2012: Biên soạn nội dung chương 2

Từ 07/2012 đến 08/2012: Biên soạn nội dung chương 3

Từ 08/2012 đến 09/2012: Biên soạn nội dung chương 4

Từ 09/2012 đến 10/2012: Biên soạn nội dung chương 5

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

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TẦN SỐ VÀ CÁC VẤN ĐỀ NỐI ĐẤT VÀ HỆ THỐNG DÂY CHỐNG SÉT

2.1 Phương pháp đặc tính tần số

Trong việc đo lường động, xung điện áp là một độ lớn thay đổi theo thời gian Do

đó dạng xung ghi không được bị méo dạng bởi các thiết bị đo Yêu cầu này không thực hiện được vì tồn tại những điện trở, điện dung, điện cảm ký sinh trong cơ cấu

phân hoặc hệ phương trình dạng toán tử Nói chung quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra có thể mô tả bằng hệ phương trình như sau:

) 1 2 (

'' 2 2 ' 2 1 2

0

m m n

n

n u B u B u B u A

u A u A u

Trong thực tế, hệ phương trình vi phân được sử dụng như là những đặc trưng của thiết bị đo thì rất không thuận lợi, bởi vì các hệ số của nó rất khó xác định bằng thực nghiệm Để đánh giá các tính chất động của thiết bị đo, thông thường người ta sử dụng đặc tính tần số phức hoặc là đặc tính pha - biên độ phức Chúng được xác định bằng cách tác dụng lên hệ thống đo một điện áp hình sin với tần số thay đổi Sau đó, xác định môđun và góc pha của quan hệ điện áp ra u2 và điện áp vào u1, có nghĩa là:

1 2

m

m

U U H

 

 

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

 t U e U  t

u m jt m 

sin

1 1

         

t U

e U t

j H e U



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

m m n

n

n u B u B u B u A

u A u A u

A j A

j A j A

B j B

j B j B j

0

2 2 1

0

trong chế độ xác lập mà không phải ở chế độ quá độ khi đặt một điện áp hình sin ở đầu vào của thiết bị đo Vậy thì, khi xác định bằng thực nghiệm đặc tính tần số, mỗi lần đưa điện áp hình sin đặt ở đầu vào của thiết bị đo cần chờ đợi một khoảng thời gian để quá trình quá độ chấm dứt

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

2 2 1 0

2 2 1 0

n n m m

A p A

p pA A

B p B

p pB B p H

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

độ tự do Lúc đó điện áp vào có dạng:

m t s j

m e U e e U

u1  1   1 

Trong kỹ thuật điện, để tìm đặc tính tần số hay hàm truyền phần lớn người ta sử dụng lý thuyết số phức và hàm biến phức Sử dụng lại các quan hệ của phép tính toán tử:

    (2.3)

0

dt t f e p p

j t

f

t t

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

    (2.4)0

dt t f e p

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

b a

j

Biến đổi Fourier ngược:

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

F

j F

Tùy theo chức năng của nối đất, trong hệ thống điện ta có 3 dạng nối đất chính: Nối đất làm việc: là nối đất điểm trung tính các cuộn dây máy phát, máy biến áp công suất và máy bù, nối đất trong hệ thống pha đất (đất được dùng như một dây dẫn) …nhằm bảo đảm sự làm việc của các trang thiết bị điện trong các điều kiện hoạt động bình thường cũng như lúc xãy ra sự cố theo các chế độ qui định

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

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

bộ phận mang điện và các trang thiết bị khác

Trong rất nhiều trường hợp, cùng một hệ thống nối đất đồng thời thực hiện hai hoặc

ba nhiệm vụ nối trên

Điện trở quyết định dòng điện của đất gọi là điện trở tản Thực tế điện trở tản không liên quan đến đất mà liên quan đến bộ phận nối đất nên được gọi là điện trở nối đất

nó I đ:

) 8 2 (

đ

đ đ I

U

R 

của bản thân điện cực phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của cực Khi tản dòng một chiều hoặc xoay chiều 50Hz thì trị số của điện trở bản thân điện cực rất bé có thể bỏ qua Khi tản dòng điện xung có độ dốc lớn (dòng sét) nó có thể có trị số đáng kể

Điện trở tản trong đất có trị số phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, hình dáng, số lượng, cách bố trí các điện cực, phụ thuộc vào dạng và trị số dòng điện, phụ thuộc tính chất, cấu tạo, trạng thái của đất và thời tiết

2.2.3 Hệ thống nối đất trạm biến áp

Trạm biến áp có nhiệm vụ nhận điện từ để truyền tải và phân phối điện năng đến hộ tiêu dùng Được xây dựng trên diện tích rộng và thường xuyên có người vận hành với các thiết bị điện Khi cách điện của các thiết bị điện bị chọc thủng, người vận hành không theo quy tắc an toàn…Sẽ gây nên tai nạn điện giật Đồng thời sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện không những làm hư hỏng các thiết bị điện mà còn gây nguy hiểm cho người vận hành Vì vậy phải thực hiện việc nối đất an toàn và đặt các thiết bị chống sét

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

- Cọc nối đất: là hệ thống các thanh kim loại được đóng sâu vào trong đất để tăng cường khả năng tản dòng điện vào trong đất

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

Một hệ thống nối đất thông thường được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất hoặc những thanh ngang bằng cùng loại vật liệu chôn trong đất, hoặc cọc và thanh nối liền nhau và nối liền với vật cần nối đất Cọc thường làm bằng thép ống hoặc thép thanh tròn không rỉ (hoặc mạ kẽm), đường kính từ 3 đến 6cm, dài từ 2 đến 3m hoặc bằng thép góc 40mm*40mm, 50mm*50mm đóng thẳng đứng xuống đất, còn thanh ngang bằng thép thanh dẹt tiết

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

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

Hình dáng và cách bố trí điện cực ảnh hưởng đến giá trị điện trở tản của thiết bị nối đất (Rđ), điện áp tiếp xúc (U

đặc điểm này, thường bố trí các

điện cực dạng ô lưới (dọc và

ngang) cho toàn bộ diện tích trạm

(kéo dài ra ngoài hàng rào khoảng

1m) để san bằng điện thế [3] Còn

để giảm điện trở Rđ, ưu tiên bố trí

cọc nối đất dọc theo chu vi của lưới

nối đất và ở các vị trí nối đất của trung tính MBA, kim thu sét, chống sét van… Nếu TBNÐ vẫn chưa thỏa mãn yêu cầu về R

vào các ô lưới Để bớt ảnh hưởng của hiệu ứng màn che, cần đảm bảo khoảng cách giữa các điện cực nằm ngang không lớn hơn 5m, khoảng cách giữa các cọc nối đất

(a) không nhỏ hơn chiều dài của nó (l), tỷ số a/l lý tưởng vào khoảng (1 ÷ 3) [7]

Đối với TBNÐ thực hiện nhiệm vụ nối đất làm việc, thì lưới nối đất có tác dụng tốt hơn điện cực cọc trong việc tạo mạch dẫn cho dòng điện trở về Còn với nhiệm vụ tản dòng điện sét, điện cực phẳng có điện cảm nhỏ nên sẽ có tổng trở nối đất xung kích sẽ nhỏ, việc tăng diện tích lưới nối đất không có tác dụng đến việc tản dòng điện sét Hình dáng của lưới nối đất càng giống hình vuông thì càng dễ đạt yêu cầu

về R

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

cọc nối đất hàng rào TBA

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

2.2.4.1 Bảo vệ chống sét đường dây tải điện

Đối với 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 điện

Việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp thường được thực hiện bằng cột thu sét hoặc hoặc dây chống sét Trong phạm vi đề tài này chỉ trình bày bảo vệ hệ thống bằng dây chống sét

Dây chống sét thường dùng để bảo vệ chống sét đánh vào đường dây tải điện trên không Để bảo vệ thường treo dây chống sét trên toàn bộ tuyến đường dây Tùy theo cách bố trí dây dẫn trên cột, có thể treo một hoặc hai dây chống sét sao cho dây dẫn điện của ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét

Kinh nghiệm vận hành của các đường dây này cho thấy xác xuất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn không những chỉ phụ thuộc vào góc bảo vệ  mà còn phụ thuộc vào chiều cao cột điện (chiều cao cột có thể tới 40 -50m)

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

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

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

hồ quang chạm đất ở một pha vẫn không đưa đến cắt điện đường dây Cắt điện do

sét chỉ xãy ra khi phóng điện ở 2 hoặc 3 pha do sét đánh vào dây ngoài cùng, trường hợp nguy hiểm nhất là sét đánh vào dây dẫn ở chổ gần cột điện

2.2.4.3 Sét đánh trên đường dây có dây chống sét

Khi đường dây có dây chống sét thì phần lớn số lần sét đánh vào dây chống sét Tuy nhiên tùy theo đặc điểm của quá trình và ảnh 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 Vì thế tùy thuộc vào vị trí sét đánh vào cột hay dây chống sét ở gần cột hoặc vào dây chống sét trong khoảng vượt Khi sét đánh vào đỉnh cột do

dây chống sét (Z DCS) nên phần chủ yếu dòng sét sẽ đi qua cột (ic) vào điện trở nối

đến bộ phận nối đất của cột điện kế cận, về hai phía của cột bị sét đánh Còn trường hợp sét đánh vào khoảng vượt do cách điện ở xa nên không sét ảnh hưởng của của điện từ trường của khe phóng điện, đồng thời trị số dòng điện sét cũng giảm thấp do phải chia làm hai phần đi vào các cột điện lân cận

2.2.4.4 Khi có hai dây chống sét

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

2.2.5 Bảo vệ chống sét trạm biến áp

Phóng điện ở cách điện trong trạm trong nhiều trường hợp dẫn đến sự cố trầm trong

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

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

vì biên độ của chúng thường lớn hơn mức cách điện xung của trạm Ví dụ, cách điện trong của MBA 110kV có điện áp thử nghiệm xung khoảng 460kV, trong khi

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

Biện pháp chủ yếu để bảo vệ trạm chống sóng quá điện áp khí quyển truyền từ đường dây vào là dùng các thiết bị chống sét van hoặc thiết bị hạn chế quá điện áp đầu vào của MBA công suất, phối hợp với việc tăng cường bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho đoạn đường dây trước khi đến trạm để giảm độ dốc của sóng truyền vào trạm và giảm dòng xung qua chống sét van

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

- Khoảng cách giữa chống sét van và thiết bị được bảo vệ phải nằm trong giới hạn cho phép và muốn mở rộng phạm vi bảo vệ của chống sét van phải có biện pháp giảm nhỏ độ dốc của sóng truyền vào trạm

- Trị số dòng điện xung chạy qua chống sét van không được vượt trị số định mức tức dòng điện phối hợp (từ 5 – 14kA tùy cấp điện áp và tùy loại chống sét van) của

Hình 2.2: Sơ đồ bảo vệ trạm biến áp

35 - 110kV không được bảo vệ bằng dây chống sét trên toàn tuyến [6]

1-2 km

Theo qui phạm bảo vệ chống sét cho trạm thì:

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

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

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

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

dây chống sét)

(MC) đường dây trong trường hợp máy đã ở trạng thái cắt mà đường dây vẫn có quá điện áp

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

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

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

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

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

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

- Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, nối đất làm việc và nối đất an toàn ở các cấp khác nhau thường được nối thành một hệ thống chung Hệ thống nối đất này phải thiết kế theo trị số điện trở tản cho phép bé nhất trong hai loại để đảm bảo an toàn và sự làm việc bình thường trong bất cứ trường hợp nào

- Khi cho phép đặt các kim thu sét trên các kết cấu công trình của trạm thì nối đất của chúng được nối chung vào hệ thống nối đất an toàn của trạm

Ở các trạm biến áp và nhà máy điện trong những điều kiện nhất định, cột thu sét có thể đặt ngay trên các kết cấu của trạm và nhà máy như cột xà, máy nhà, ống khói, cột đèn pha chiếu sáng nhờ lợi dụng các độ cao sẵn có này của trạm mà tận

dụng phạm vi bảo vệ và giảm được giá thành xây dựng Nhưng khi sét đánh vào cột thu sét, dòng điện sét truyền qua thân cột tản qua điện trở nối đất có thể gây nên phóng điện ngược từ các kết cấu công trình (xà, cột) của trạm đến các bộ phận mang điện (dây dẫn, thanh góp) nếu điện áp giáng xung trên hệ thống nối đất vượt quá mức cách điện xung của trạm Do đó, việc đặt cột thu sét trên kết cấu công trình của trạm chỉ cho phép khi trạm có mức cách điện xung cao và điện trở nối đất bé Đối với trạm 110kV trở lên các yêu cầu này dễ dàng thỏa mãn Còn đối với trạm 35kV chỉ cho phép đặt cột thu sét trên các kết cấu công trình của trạm (trừ xà máy biến áp), trong các điều kiện, khi điện trở nối đất của kết cấu có đặt cột thu sét

500m và trong phạm vi bán kính 30m nếu điện trở suất của đất  > 500m

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

ý tận dụng các hình thức nối đất có sẵn (nối đất tự nhiên) Nếu điện trở tản của các nối đất tự nhiên đã thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật thì có thể không đặt thêm nối đất nhân tạo đối với hệ thống có dòng điện chạm đất bé hoặc chỉ cần đặt thêm hệ thống

đất lớn

- Nối đất dây chống sét của đường dây tải điện cao áp

CHƯƠNG 3

XÁC ĐỊNH TỔNG TRỞ THEVENIN CỦA ĐƯỜNG DÂY CHỐNG SÉT – CỘT ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP

TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG SÉT

3.1 Thành lập công thức tính tổng trở hệ thống

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

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

Nối tiếp n mô hình mạch điện hình pi và tương đương mô hình đường dây truyền tải với n khoảng vượt cho n   Chúng có thể mô hình hóa như mạch điện tương đương nối tiếp hình pi với toàn bộ các thành phần R-L-C-G, trong đó mỗi mạch điện hình pi tương đương một khoảng vượt gồm điện trở nối tiếp Re, nối tiếp điện cảm Le, song song với điện dẫn Ge và tụ điện Ce

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

) 1 3 (

e e

s R j L

Z   

) 2 3 ( 1

e e

p

C j G

e

e

e L G C

trên một đơn vị chiều dài

p

s Z

3.1.1.1 Tính tổng trở Thevenin nhìn từ đầu đường dây với mô hình n mạch pi

có các thông số Z svà Z p giống nhau

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

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

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

)3.3(2 22 2 21 1

2 12 2 11 1

I A U A U

1

I

U A

I

U

22 21

12 11

A A

A

+ Hở mạch ngõ ra 2: (I2 = 0)

p p

p

p s p

p s

Z Z

I

Z

Z I

) 2 (

p s

p

p

s p s p

s

s p s

Z

Z Z

Z Z

Z I

I I

I

A

Z

Z Z Z Z

Z

Z Z Z I

I

U

A

22

2

44

2

)22

.2(

1 1

2

1

22

2 1

2

21

4

42

22 21

12 11

p

s p s p

p s

Z

Z Z Z

Z

Z Z Z Z

Z Z

A A

A A

A

Vì các thành phần mạch điện hình T giống nhau, nên:

)6.3(

2

21

4

42

2

2

3 2 1

p

s p s p

p s n

Z

Z Z Z

Z

Z Z Z Z

Z Z A A A

A A

Như vậy ta có các mạng hai cửa nối tiếp nhau như sau:

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

Chuyển đổi n mạng 2 cửa về một mạch điện 2 cửa tương đương, ta có đặc tính ma trận như sau:

)7.3(

1

n n

TĐ A A A A A

Theo [9] , có:

A I

A TĐ 0 1

Trong đó:

10

01



I

)8.3(0

0

22 1 0 21

1

12 1 11

1 0

22 21

12 11

1 0 0

A A

A A

A A

1 1 0 1

Các thông số 0, 1:

2 1

1 2 2 1 0

2 1

2 1 1

n n

Để tìm , áp dụng định lý Caylay – Hamiton như sau: p() = det(I – A)

p

p s

p

p

s p s p

p s

p

p s

p

p

s p s p

p s

Z

Z Z Z

Z

Z Z Z Z

Z Z

Z

Z Z Z

Z

Z Z Z Z

Z Z

p

2

21

4

42

2

2

21

4

42

2

0

0)

(

2 2

2

4

4.12

2

2

2 2

p

s p s p p

p s

Z

Z Z

Z

Z Z Z Z Z

Z Z

Z Z

Giải phương trình bậc hai (3.11) theo , có 2 nghiệm là:

) 12 3 ( 2

4 2

2

4 2

s

p

s p s p

s

Z

Z Z Z Z

Z

Z

Z Z Z Z

Ta chuyển đổi dạng ATĐ về mạng hình T tương đương như sau:

Với:

)13.3(2

1

12

21

12

1 1 0

1

1 0

21 1

11 1 0

21 11

s p

p

p

p s TĐ

sTĐ

Z Z

Z Z

Z

Z

Z Z

A

A A

A Z

11

1

1 1

21 1

p p TĐ

pTĐ

Z Z

A A

Như vậy hình 3.3 được vẽ lại như sau:

Tổng trở Thevenin nhìn từ đầu đường dây khi cuối đường dây hở mạch là:

) 15 3 ( 2

2

sTĐ s

) 16 3 (

2 2

1 0

1 1 1

0 0

p p p

s p s th

Z Z Z

Z Z Z

Z Z

Z Z

n s p s p s s p s s n s p s p s s p s s

th

Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z

Z Z Z Z

Z Z Z Z Z Z

Z Z Z Z Z Z Z Z

Z

2 2

2 2

2 2

0

4 2 4

2

4 2 4

4 2

4 2

s p s s

Z Z Z Z

Z Z Z Z

4 4

2 2

2 2

2 1

s p s n

s p s

n s p s n

s p s th

Z Z Z b Z

Z Z b

Z Z Z b Z

Z Z b Z

Tổng trở Thevenin được xác định từ (3.17):

4 4

4 4

2 2

2 2

2 1

s p s n

s p s

n s p s n

s p s th

Z Z Z b Z

Z Z b

Z Z Z b Z

Z Z b Z

1 ,

l C j G

n Z

l n

L j R Z

e e

p e

Đơn giản hóa mạch điện 3.11, được:

Trong đó:

) 19 3 (

2 2

Z 2

2 2 2

1

1 1

0 1

1 2

1 1

0 p 1

1

0 1

p p

s p s

sTĐ s

p s

p p p

s p s sTĐ s

s

Z Z

Z Z

Z Z Z Z Z Z

Z

Z Z

Z

Z Z

Z Z Z Z

Z Z

2

2 1

pTĐ s

pTĐ s s th

Z Z

Z Z Z Z

1 1 1

0 1

1 1 1

0 1

1 1 0

s p

p p p

s p p

p s p th

Z Z Z

Z Z Z

Z Z Z

Z Z Z Z

Z Z Z Z

2 0

0 1

0 1 0

th

pTĐ th

pTĐ pTĐ

th

pTĐ pTĐ th

pTĐ th

th

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z Z Z Z

Z Z

Trong đó:

Zth: là tổng trở Thevenin nhìn từ đầu đường dây khi cuối đường dây có nối thêm tổng trở Z1

ZpTĐ: Tổng trở song song sau khi biến đổi

* Mối quan hệ giữa ZpTĐ và các thành phần trở kháng song song Zp, nối tiếp Zs xác định như sau:

 

)23.3(2

1

2 1

2 1

2 1 1

n n p n n p p

pTĐ

Z Z

Z Z

42

2 2

2

n s p s n

s p s

s p s n p n pTĐ

Z Z Z b Z

Z Z b

Z Z Z Z Z

3.2 Phương pháp tính dòng sét đơn giản

Như đã trình bày ở phần trước công thức xác định tổng trở Thevenin cho đường dây chống sét Trong phần này trình bày phương pháp tính dòng sét đi qua một hệ thống nối đất tại trạm khi có sét đánh trên đường dây tại bất kỳ vị trí nào

Mô hình được đơn giản hóa bằng mạch điện tương đương sau: n là khoảng vượt,

dây chống sét Z s (đã trình bày ở phần trước), Z1là tổng trở nối đất tại trạm biến áp

1, Z2là tổng trở nối đất tại trạm biến áp 2