Đồ án Tìm hiểu hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Việt Nam

Chương mở đầu : hiện tượng dông sét và ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện việt nam Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm NMĐ - đường dây - TBA và các hộ tiêu thụ điện. Trong đó có phần tử có số lượng lớn và khá quan trọng đó là các TBA, đường dây. Trong quá trình vận hành các phần tử này chịu ảnh hưởng rất nhiều sự tác động của thiên nhiên như mưa, gió, bão và đặc biệt nguy hiểm khi bị ảnh hưởng của sét. Khi có sự cố sét đánh vào TBA, hoặc đường dây nó sẽ gây hư hỏng cho các thiết bị trong trạm dẫn tới việc ngừng cung cấp điện và gây thiệt hại lớn tới nền kinh tế quốc dân. Để nâng cao mức độ cung cấp điện, giảm chi phí thiệt hại và nâng cao độ an toàn khi vận hành chúng ta phải tính toán và bố trí bảo vệ chống sét cho HTĐ. 1.1 - Hiện tượng dông sét 1.1.1 - Khái niệm chung: Dông sét là một hiện tượng của thiên nhiên, đó là sự phóng tia lửa điện khi khoảng cách giữa các điện cực khá lớn (trung bình khoảng 5km). Hiện tượng phóng điện của dông sét gồm hai loại chính đó là phóng điện giữa các đám mây tích điện và phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất. Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phóng điện giữa các đám mây tích điện với mặt đất (phóng điện mây - đất). Với hiện tượng phóng điện này gây nhiều trở ngại cho đời sống con người. Các đám mây được tích điện với mật độ điện tích lớn, có thể tạo ra cường độ điện trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này là giai đoạn phóng điện tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107cm/s, các lần phóng điện sau thì tốc độ tăng lên khoảng 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau bởi vì trong cùng một đám mây thì có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất). Tia tiên đạo là môi trường Plasma có điện tích rất lớn. Đầu tia được nối với một trong các trung tâm điện tích của đám mây nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo. Phần điện tích này được phân bố khá đều dọc theo chiều dài tia xuống mặt đất. Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tùy thuộc vào tình hình dẫn điện của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì điểm này nằm ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo. Còn nếu vùng đất có điện dẫn không đồng nhất (có nhiều nơi có điện dẫn khác nhau) thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao. Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất và như vậy địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn. Do vậy để định hướng cho các phóng điện sét thì ta phải tạo ra nơi có mật độ tập trung điện diện tích lớn. Nên việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình được dựa trên tính chọn lọc này của phóng điện sét. Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là n và mật độ điện trường của điện tích trong tia tiên đạo là d thì trong một đơn vị thời gian thì điện tích đi và trong đất sẽ là: is = n. d Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi có nối đất tốt (có trị số điện trở nhỏ không đáng kể). Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét, dòng điện này có biên độ và độ dốc phân bố theo hàng biến thiên trong phạm vi rộng (từ vài kA đến vài trăm kA) dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xung kích, chỗ tăng vọt của sét ứng với giai đoạn phóng điện ngược (hình 1-1) - Khi sét đánh thẳng vào thiết bị phân phối trong trạm sẽ gây quá điện áp khí quyển và gây hậu quả nghiêm trọng như đã trình bày ở trên. 1.1.2 - Tình hình dông sét ở Việt Nam: Việt Nam là một trong những nước khí hậu nhiệt đới, có cường độ dông sét khá mạnh. Theo tài liệu thống kê cho thấy trên mỗi miền đất nước Việt nam có một đặc điểm dông sét khác nhau : + ỏ miền Bắc, số ngày dông dao động từ 70 á 110 ngày trong một năm và số lần dông từ 150 á 300 lần như vậy trung bình một ngày có thể xảy ra từ 2 á 3 cơn dông. + Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là Móng Cái. Tại đây hàng năm có từ 250 á300 lần dông tập trung trong khoảng 100 á 110 ngày. Tháng nhiều dông nhất là các tháng 7, tháng 8. + Một số vùng có địa hình thuận lợi thường là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng, số trường hợp dông cũng lên tới 200 lần, số ngày dông lên đến 100 ngày trong một năm. Các vùng còn lại có từ 150 á 200 cơn dông mỗi năm, tập trung trong khoảng 90 á 100 ngày. + Nơi ít dông nhất trên miền Bắc là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có dưới 80 ngày dông. Xét dạng diễn biến của dông trong năm, ta có thể nhận thấy mùa dông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng. Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông tập chung trong khoảng từ tháng 5 đến tháng 9. Trên vùng Duyên Hải Trung Bộ, ở phần phía Bắc (đến Quảng Ngãi) là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4, từ tháng 5 đến tháng 8 số ngày dông khoảng 10 ngày/ tháng, tháng nhiều dông nhất (tháng 5) quan sát được 12 á 15 ngày (Đà Nẵng 14 ngày/ tháng, Bồng Sơn 16 ngày/tháng ...), những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) dông còn ít, mỗi tháng chỉ gặp từ 2 á 5 ngày dông. Phía Nam duyên hải Trung Bộ (từ Bình Định trở vào) là khu vực ít dông nhất, thường chỉ có trong tháng 5 số ngày dông khoảng 10/tháng như Tuy Hoà 10ngày/tháng, Nha Trang 8 ngày/tháng, Phan Thiết 13 ngày/tháng. ở miền Nam khu vực nhiều dông nhất ở đồng bằng Nam Bộ từ 120 á 140 ngày/năm, như ở thành phố Hồ Chí Minh 138 ngày/năm, Hà Tiên 129 ngày/ năm. Mùa dông ở miền Nam dài hơn mùa dông ở miền Bắc đó là từ tháng 4 đến tháng 11 trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 11) có số ngày dông đều quan sát được trung bình có từ 15 á 20 ngày/tháng, tháng 5 là tháng nhiều dông nhất trung bình gặp trên 20 ngày dông/tháng như ở thành phố Hồ Chí Minh 22 ngày, Hà Tiên 23 ngày. ở khu vực Tây Nguyên mùa dông ngắn hơn và số lần dông cũng ít hơn, tháng nhiều dông nhất là tháng 5 cũng chỉ quan sát được khoảng 15 ngày dông ở Bắc Tây Nguyên, 10 á 12 ở Nam Tây Nguyên, Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày, PLâycu 17 ngày. Số ngày dông trên các tháng ở một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam xem bảng 1-1. Từ bảng trên ta thấy Việt Nam là nước phải chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều bất lợi cho H.T.Đ Việt nam, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư nhiều vào các thiết bị chống sét. Đặc biệt hơn nữa nó đòi hỏi các nhà thiết kế phải chú trọng khi tính toán thiết kế các công trình điện sao cho HTĐ vận hành kinh tế, hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy. Bảng 1-1 : Số ngày dông trong tháng: Tháng Địa điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm Phía Bắc Cao bằng 0,2 0,6 4,2 5,9 12 17 20 19 10 11 0,5 0,0 94 Bắc Cạn 0,1 0,3 3,0 7,0 12 18 20 21 10 2,8 0,2 0,1 97 Lạng Sơn 0,2 0,4 2,6 6,9 12 14 18 21 10 2,8 0,1 0,0 90 Bắc Ninh 0,2 0,4 2,6 6,9 10 12 16 18 9 2,8 0,1 0,0 80 Móng Cái 0,0 0,4 3,9 6,6 14 19 24 24 13 4,2 0,2 0,0 112 Hồng Gai 0,1 0,0 1,7 1,3 10 15 16 20 15 2,2 0,2 0,0 87 Hà Giang 0,1 0,6 5,1 8,4 15 17 22 20 9,2 2,8 0,9 0,0 102 Sa Pa 0,6 2,6 6,6 12 13 15 16 18 7,3 3,0 0,9 0,3 97 Lào Cai 0,4 1,8 7,0 10 12 13 17 19 8,1 2,5 0,7 0,0 93 Yên Bái 0,2 0,6 4,1 9,1 15 17 21 20 11 4,2 0,2 0,0 104 Tuyên Quang 0,2 0,0 4,0 9,2 15 17 22 21 11 4,2 0,5 0,0 106 Phú Thọ 0,0 0,6 4,2 9,4 16 17 22 21 11 3,4 0,5 0,0 107 Thái Nguyên 0,0 0,3 3,0 7,7 13 17 17 22 12 3,3 0,1 0,0 97 Hà Nội 0,0 0,3 2,9 7,9 16 16 20 20 11 3,1 0,6 0,9 99 Hải Phòng 0,0 0,1 7,0 7,0 13 19 21 23 17 4,4 1,0 0,0 111 Ninh Bình 0,0 0,4 8,4 8,4 16 21 20 21 14 5,0 0,7 0,0 112 Lai Châu 0,4 1,8 13 12 15 16 14 14 5,8 3,4 1,9 0,3 93 Điện Biên 0,2 2,7 12 12 17 21 17 18 8,3 5,3 1,1 0,0 112 Sơn La 0,0 1,0 14 14 16 18 15 16 6,2 6,2 1,0 0,2 99 Nghĩa Lộ 0,2 0,5 9,2 9,2 14 15 19 18 10 5,2 0,0 0,0 99 Thanh Hoá 0,0 0,2 7,3 7,3 16 16 18 18 13 3,3 0,7 0,0 100 Vinh 0,0 0,5 6,9 6,9 17 13 13 19 15 5,6 0,2 0,0 95 Con Cuông 0,0 0,2 13 13 17 14 13 20 14 5,2 0,2 0,0 103 Đồng Hới 0,0 0,3 6,3 6,3 15 7,7 9,6 9,6 11 5,3 0,3 0,0 70 Cửa Tùng 0,0 0,2 7,8 7,8 18 10 12 12 12 5,3 0,3 0,0 85 Phía Nam Huế 0,0 0,2 1,9 4,9 10 6,2 5,3 5,1 4,8 2,3 0,3 0,0 41,8 Đà Nẵng 0,0 0,3 2,5 6,5 14 11 9,3 12 8,9 3,7 0,5 0,0 69,5 Quảng Ngãi 0,0 0,3 1,2 5,7 10 13 9,7 1,0 7,8 0,7 0,0 0,0 59,1 Quy Nhơn 0,0 0,3 0,6 3,6 8,6 5,3 5,1 7,3 9,6 3,3 0,6 0,0 43,3 Nha Trang 0,0 0,1 0,6 3,2 8,2 5,2 4,6 5,8 8,5 2,3 0,6 0,1 39,2 Phan Thiết 0,2 0,0 0,2 4,0 13 7,2 8,8 7,4 9,0 6,8 1,8 0,2 59,0 Kon Tum 0,2 1,2 6,8 10 14 8,0 3,4 0,2 8,0 4,0 1,2 0,0 58,2 Playcu 0,3 1,7 5,7 12 16 9,7 7,7 8,7 17 9,0 2,0 0,1 90,7 Đà Lạt 0,6 1,6 3,2 6,8 10 8,0 6,3 4,2 6,7 3,8 0,8 0,1 52,1 Blao 1,8 3,4 11 13 10 5,2 3,4 2,8 7,2 7,0 4,0 0,0 70,2 Sài Gòn 1,4 1,0 2,5 10 22 19 17 16 19 15 11 2,4 138 Sóc Trăng 0,2 0,0 0,7 7,0 19 16 14 15 13 1,5 4,7 0,7 104 Hà Tiên 2,7 1,3 10 20 23 9,7 7,4 9,0 9,7 15 15 4,3 128 1.2- ảnh hưởng của dông sét đến h.t.đ việt nam: - Như đã trình bày ở phần trước biên độ dòng sét có thể đạt tới hàng trăm kA, đây là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó. Thực tế đã có dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng chảy và đứt, thậm chí có những cách điện bằng sứ khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và chảy ra như nhũ thạch, phóng điện sét còn kèm theo việc di chuyển trong không gian lượng điện tích lớn, do đó tạo ra điện từ trường rất mạnh, đây là nguồn gây nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng của nó rất rộng, ở cả những nơi cách xa hàng trăm Km. - Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền theo dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây. Khi cách điện của đường dây bị phá hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha - đất hoặc ngắn mạch pha – pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc. Với những đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu hệ thống tự động ở các nhà máy điện làm việc không nhanh có thể dẫn đến rã lưới. Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc sét đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện của trạm biến áp , điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với việc ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng. Mặt khác, khi có phóng điện sét vào trạm biến áp, nếu chống sét van ở đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn. Qua đó ta thấy rằng sự cố do sét gây ra rất lớn, nó chiếm chủ yếu trong sự cố lưới điện, vì vậy dông sét là mối nguy hiểm lớn nhất đe dọa hoạt động của lưới điện. *Kết luận: Sau khi nghiên cứu tình hình dông sét ở Việt Nam và ảnh hưởng của dông sét tới hoạt động của lưới điện. Ta thấy rằng việc tính toán chống sét cho lưới điện và trạm biến áp là rất cần thiết để nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện. Chương 1: bảo vệ chống sét đánh trực tiếp trạm biến áp 110/35 kV Châu Khê - Bắc Ninh. 3.1-Khái niệm chung. Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện. Đối với trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh thì các thiết bị điện của trạm được đặt ngoài trời nên khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn gây nên những hậu quả cho những ngành công nghiệp khác do bị ngừng cung cấp điện. Do vậy trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khá cao. Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi. Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này. Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó. Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật. 3.2- Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp. Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Hệ thống bảo vệ trạm 110/35kV ở đây ta dùng hệ thống cột thu lôi, hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể. Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi. Nhưng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn trong điều kiện phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị. Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ. Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 cọc nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ xung để cải thiện trị số điện trở nối đất. Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộn dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện. Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua. Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất. 3.3- Tính toán thiết kế, các phương án bố trí cột thu lôi. Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV và dựa vào độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí được các cột thu lôi và tính được độ cao của chúng. 3.3.1- Các công thức sử dụng để tính toán. - Độ cao cột thu lôi: h =hx + ha (3 – 1) Trong đó: + hx : độ cao của vật được bảo vệ. + ha : độ cao tác dụng của cột thu lôi, được xác định theo từng nhóm cột. (ha ³ D/8 m). (với D là đường kính vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các chân cột) - Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là: - Nếu hx Ê 2/3h thì: (3 –3) - Nếu hx > 2/3h thì: (3-4) Phạm vi bảo vệ của hai hoặc nhiều cột thu lôi thì lớn hơn từng cột đơn cộng lại. Nhưng để các cột thu lôi có thể phối hợp được thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn a Ê 7h ( trong đó h là độ cao của cột thu lôi ). Khi có hai cột thu lôi đặt gần nhau thì phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho và được xác định theo công thức: Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là rxo và được xác định như sau: - Trường hợp hai cột thu lôi có độ cao khác nhau thì việc xác định phạm vi bảo vệ được xác định như sau: - Khi có hai cột thu lôi A và B có độ cao h1 và h2 như hình vẽ dưới đây: - Bằng cách giả sử vị trí x có đặt cột thu lôi C có độ cao h2 , khi đó các khoảng cách AB = a; BC = a'. Khi đó xác định được các khoảng cách x và a' như sau: Đối với trường hợp khi có hai cột thu lôi cao bằng nhau ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột là ho : Tương tự ta có phạm vi bảo vệ ở độ cao lớn nhất giữa hai cột B và C là: 3.3.2- Các số liệu dùng để tính toán thiết kế cột thu lôi bảo vệ trạm biến áp 110/35kV Châu Khê - Bắc Ninh. - Trạm có diện tích là: 57 x 58,350m và bao gồm: + Hai máy biến áp T1 và T2 + 2 lộ 110kV và 6 lộ 35kV. - Độ cao các thanh xà phía 110kV là 10m và 8m. - Độ cao các thanh xà phía 35kV là 9m và 7m. - Ngoài ra trạm còn có 3 cột chiếu sáng cao 21m. 3.3.3- Trình tự tính toán. Trạm biến áp E27.3 Phù Khê được hai đường 110kV cấp, đó là lộ đường dây mạch kép Phả Lại đi Đông Anh, hai đường 110kV này được nối với nhau qua máy cắt liên lạc giữa hai hệ thống thanh góp. Trạm có cấp điện áp 110/35kV và có hai máy biến áp T1 ; T2 được nối với hai lộ đường dây vào 110kV và sáu lộ đường dây 35kV. Phía 110kV có hai hệ thống thanh góp và có máy cắt liên lạc. Sau khi khảo sát sơ bộ sơ đồ mặt bằng trạm, vị trí bố trí các thiết bị trong trạm và yêu cầu bảo vệ của mỗi thiết bị, ta đưa ra hai phương án đặt cột thu lôi như sau: 3.3.3.1- Phương án 1. - Các cột thu lôi phía trạm 110kV được bố trí độc lập là cột số 5 có độ cao là 21m; các cột số 1 đến số 4 được bố trí trên các thanh xà có độ cao 10m và các cột này có độ cao là 21m ( tính từ xà đến kim thu sét là 6m, kim thu sét cao 5m) - Các cột thu lôi phía 35kV được bố trí trên các thanh xà có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m là các cột số 6;7;8;9. Ngoài ra còn hai cột thu lôi độc lập cao 21m là cột số 10 và 11. Hình ( 3 – 3 ) Hình (3–3): Đường tròn ngoại tiếp tam giác đi qua 3 chân cột thu lôi Tính độ cao tác dụng của cột thu lôi: Để bảo vệ được một diện tích giới hạn bởi một tam giác (hoặc tứ giác) thì độ cao của cột thu lôi phải thoả mãn: D Ê 8ha Trong đó: - D: Là đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác ( hoặc tứ giác), tạo bởi các chân cột. đó là phạm vi mà nhóm cột có thể bảo vệ được. - ha : Là độ cao tác dụng của cột thu lôi. Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi bao giờ cũng lớn hơn phạm vi bảo vệ của cột đơn cộng lại. Điều kiện để cho hai cột thu lôi có thể phối hợp được với nhau để bảo vệ được vật có độ cao hx nào đó là: a Ê 7h Với a là khoảng cách giữa hai cột thu lôi. - Xét nhóm cột 1;2;5. Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 1;2;5. (1 á 2 = 26m; từ điểm giữa 1á2 với 5 = 8,5m ) Và đường kính vòng tròn là: Xét tam giác (1;2;5) , ta có: (1;2)=26 m ; (0;5)=8,5 m, suy ra : Ta có công thức để tính đường kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5): Trong đó: + p là nửa chu vi tam giác (1;2;5): + r là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5). Thay số vào (3 –8 ) ta có: Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là: Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (1;2;5) là: D =14,2. 2 = 28,4m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 1;2;5 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: - Xét nhóm cột (3;4;5) ta có: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 3;4;5. (3 á 4 = 17m; khoảng cách từ 5 đến (3á4)= 20,35m ). Đoạn (4á5): Đoạn (3á5): Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (3;4;5) là: D =12,55. 2 = 25,1m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 3;4;5 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: - Xét nhóm cột (6;7;11) ta có: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột 6;7;11. Có: (6 á 7) = 15m; (6á11) = 15m ); (7á11) = 15.1,41 = 21,2m Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 10,6. 2 =21,2m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 6;7;11 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: Vì tam giác (8;9;10)bằng tam giác (6;7;11) nên ta có độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 8;9;10 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: Các cột 2;5;3. Có: (2 á 5) = 19m; (3á5) = 24m ); (2á3) = 28,85m Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11) là: D = 14,75. 2 =29m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột 2;5;3 bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: Qua tính toán độ cao tác dụng của các cột thu lôi, có thể lấy chung một giá trị độ cao tác dụng tối thiểu của cột thu lôi toàn trạm là chiều cao tác dụng của nhóm cột nào có giá trị lớn nhất. Do vậy ta lấy: ha = 3,6m. Tính độ cao cột thu lôi – chọn kim thu sét: Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp được xác định bởi: Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi. + hx: độ cao của vật được bảo vệ. + ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi. Đối với phía 110kV các thanh xà cao 10m (hx = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =10 + 3,6 = 13,6m. Vì chủng loại chung của cột ly tâm cốt sắt có độ cao 12m ;16 m, mặt khác do có các cột chiếu sáng có độ cao là 21m, nên ta chọn loại cột 16m. Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao là 5m. Do đó độ cao cột thu lôi là: h = 16 + 5 = 21m. Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV là: 21m. Đối với phía 35kV các thanh xà cao 9m (hx = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =9 + 3,55 = 12,6m. Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV là: 21m. Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi: * Bán kính bảo vệ của cột thu lôi cao 21m: - Bán kính bảo vệ ở độ cao 10m: hx =10 m < 2/3 h = 14 m. Nên: - Bán kính bảo vệ ở độ cao 9m: - Bán kính bảo vệ ở độ cao 8m: - Bán kính bảo vệ ở độ cao 7m: * Phạm vi bảo vệ của các cặp cột thu lôi: - Xét cặp cột 1;2. Khoảng cách giữa hai cột là: a = 26m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: Bán kính của khu vực bảo vệ ở giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,5m. Nên : ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3h = 11,5m - Xét cặp cột 1;5: khoảng cách giữa hai cột là : Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: Bán kính của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 12,52m. ở độ cao 8m: hx = 8 < 2/3ho = 12,52m. Tương tự như cặp cột 1;5, cặp cột 2;5 có: ở độ cao 10m: rxo = 9,42m ; ở độ cao 8m : rxo =13,17m. - Xét cặp cột 3;4: khoảng cách giữa hai cột là: a =17m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 12,38m. ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 12,38m. - Xét cặp cột 3;5: khoảng cách giữa hai cột là: Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,688m. ở độ cao 8m: hx = 8m <2/3 ho = 11 688m. - Xét cặp cột 4;5: khoảng cách giữa hai cột là: Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,688m. ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 11,688m. - Xét cặp cột 2;3: khoảng cách giữa hai cột là: a =28,85m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 10m: hx = 10m < 2/3ho = 11,25m. ở độ cao 8m: hx = 8m < 2/3ho = 11,25m. - Xét cặp cột 6;7: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 12,85m. ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 12,85m. - Xét cặp cột 6;11: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: Tương tự như cặp cột 6;7 ta có: - ở độ cao 9m: rxo =12,045m. - ở độ cao 7m: rxo =15,795m. - Xét cặp cột 7;11: khoảng cách giữa hai cột là: Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. ở độ cao 7m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. - Xét cặp cột 8;9: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: Tương tự cặp cột 6;7 ta có: - ở độ cao 9m: rxo = 12,045m. - ở độ cao 7m: rxo = 15,795m. - Xét cặp cột 9;10: khoảng cách giữa hai cột là: a = 15m. Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: Tương tự cặp cột 6;7 ta có: - ở độ cao 9m: rxo = 12,045m. - ở độ cao 7m: rxo = 15,795m. - Xét cặp cột 8;10: khoảng cách giữa hai cột là: Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. ở độ cao 7m: hx = 9m < 2/3ho = 11,979m. - Xét cặp cột 7;8: khoảng cách giữa hai cột là: a = 10m Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 13m. ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 13m. Nhận xét: Quá tính toán ở trên ta vẽ phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu lôi cho toàn trạm. Cụ thể được trình bày ở hình (3 – 5 ). Từ hình vẽ (3 – 5 ) ta thấy rằng toàn bộ các thiết bị của trạm đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi. Vậy với cách bố trí thu lôi như phương án I là đảm bảo về mặt kỹ thuật. Bảng (3–1) và bảng (3-2) trình bày kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương án I . Bảng 3-1 : Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 1-2 21 10 11 7,2 17,3 1-2 21 8 13 10,95 17,3 1-5 21 10 11 9,42 18,78 1-5 21 8 13 13,17 18,78 2-5 21 10 11 9,42 18,78 2-5 21 8 13 13,17 18,78 2-3 21 10 11 6,567 16,878 2-3 21 8 13 10,3 16,878 3-4 21 10 11 9,1 18,57 3-4 21 8 13 12,855 18,57 3-5 21 10 11 7,545 17,53 3-5 21 8 13 11,295 17,53 4-5 21 10 11 8,25 18,0 4-5 21 8 13 12,0 18,0 6-7 21 9 12 12,045 19,28 6-7 21 7 14 15,595 19,28 6-11 21 9 12 12,045 19,28 6-11 21 7 14 15,595 19,28 7-11 21 9 12 10,07 17,969 7-11 21 7 14 13,83 17,969 8-9 21 9 12 12,045 19,28 8-9 21 7 14 15,595 19,28 9-10 21 9 12 12,045 19,28 9-10 21 7 14 15,595 19,28 8-10 21 9 12 10,07 17,969 8-10 21 7 14 13,83 17,969 Bảng 3–2 : Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi phương án I Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rx (m) 1 21 10 11 12,75 1 21 8 13 16,5 2 21 10 11 12,75 2 21 8 13 16,5 3 21 10 11 12,75 3 21 8 13 16,5 4 21 10 11 12,75 4 21 8 13 16,5 5 21 10 11 12,75 5 21 8 13 16,5 6 21 9 12 14,625 6 21 7 14 18,375 7 21 9 12 14,625 7 21 7 14 18,375 8 21 9 12 14,625 8 21 7 14 18,375 9 21 9 12 14,625 9 21 7 14 18,375 10 21 9 12 14,625 10 21 7 14 18,375 11 21 9 12 14,625 11 21 7 14 18,375 3.3.3.2- Phương án 2. - Các cột thu lôi phía trạm 110kV được bố trí độc lập là cột số 5 có độ cao là 21m; các cột số 1 đến số 4 được bố trí trên các thanh xà có độ cao 10m và các cột này có độ cao là 21m ( tính từ xà đến kim thu sét là 6m, kim thu sét cao 5m) - Các cột thu lôi phía 35kV được bố trí trên các thanh xà có độ cao 9m, cột cao thêm 7m, kim thu sét cao 5m là các cột số 6;7;8;9. Ngoài ra còn hai cột thu sét độc lập cao 21m là cột số 10 và 11 ta đặt ở vị trí mới như hình ( 3 – 6 ). Tính độ cao tác dụng của cột thu lôi: Cách tính được tiến hành tương tự như ở phương án 1. Xét nhóm cột (1;2;5) (2;3;5) (3;4;5): Tương tự như ở phương án 1 ta có bảng ( 3 – 3 ): Nhóm cột Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (D) Độ cao tối thiểu để nhóm cột bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng (ha) (1;2;5) 28,4m 3,55m (3;4;5) 25,1m 3,14m (2;3;5) 29m 3,6m Xét nhóm cột (6;7;11) ta có: Phạm vi bảo vệ của nhóm cột này là đường tròn ngoại tiếp tam giác tạo bởi các cột (6;7;11). Đoạn (6á7) = 15m. Đoạn (6á11) = (7á11) Đường kính vòng tròn ngoại tiếp tam giác (6;7;11)là: D =9,37.2 = 18,75m. Độ cao tác dụng tối thiểu để các cột (6;7;11) bảo vệ được hoàn toàn diện tích giới hạn bởi chúng là: Tương tự ta có nhóm cột (8;9;10) có các giá trị như nhóm cột (6;7;11): ha =2,34m. Tính độ cao của cột thu lôi – kim thu sét: - Độ cao cột thu lôi dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp được xác định bởi: Trong đó: + h: độ cao cột thu lôi. + hx: độ cao của vật được bảo vệ. + ha: độ cao tác dụng của cột thu lôi. - Đối với phía 110kV các thanh xà cao 10m (hx = 10m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =10 + 3,6 = 13,6m. Vì chủng loại chung của cột ly tâm cốt sắt có độ cao 12m; 16m, mặt khác do có các cột chiếu sáng có độ cao là 21m, nên ta chọn loại cột 16m. Kim thu sét ta chọn loại sắt ống có chiều cao là 5m. Do đó độ cao cột thu lôi là: h = 16 + 5 = 21m. Vậy độ cao bảo vệ phía 110kV là: 21m. - Đối với phía 35kV các thanh xà cao 9m (hx = 9m) do đó độ cao tối thiểu của cột thu lôi là: h = hx + ha =9 + 3,6 = 12,6m. Ta cũng chọn độ cao bảo vệ phía 35kV là: 21m. Tính phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi: * Bán kính bảo vệ của cột thu lôi cao 21m: ở các độ cao (10;9;8;7)m như đã tính ở phần 1 ta có bảng (3 –4 ). * Phạm vi bảo vệ của các cặp cột (1;2), (1;5), (2;5), (3;4), (3;5), (4;5), (2;3) như bảng (3 – 5 ). Xét cặp cột (6;7) và (8;9) có: ở độ cao 9m như ở phương án1 ta có bảng ( 3 – 4 ) : Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 6-7 21 9 12 12,045 19,28 6-7 21 7 14 15,595 19.28 8-9 21 9 12 12,045 19,28 8-9 21 7 14 15,595 19.28 Xét cặp cột (6;11) khoảng cách giữa hai cột là: a = 16,77m. Độ cao lớn nhất của khu vực được bảo vệ giữa hai cột thu lôi là: ở độ cao 9m: hx = 9m < 2/3ho = 12,4m. ở độ cao 7m: hx = 7m < 2/3ho = 12,4m. Vì cặp cột (6;11), (7;11), (8;10), (9;10) như nhau nên ta có bảng (3 – 5 ): Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 6-11 21 9 12 8,325 16,8 6-11 21 7 14 12,075 16,8 7-11 21 9 12 8,325 16,8 7-11 21 7 14 12,075 16,8 8-10 21 9 12 8,325 16,8 8-10 21 7 14 12,075 16,8 9-10 21 9 12 8,325 16,8 9-10 21 7 14 12,075 16,8 Nhận xét: Qua tính toán ở trên ta có các bảng ( 3 – 7) và ( 3 – 8 ) vẽ phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu lôi cho toàn trạm. Cụ thể được trình bày ở hình (3 – 7). Từ hình vẽ (3 – 7) ta thấy rằng toàn bộ các thiết bị của trạm đều nằm trong phạm vi bảo vệ của các cột thu lôi. Vậy với cách bố trí thu lôi như phương án I là đảm bảo về mặt kỹ thuật. Bảng (3–6): Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương án 2 Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rx (m) 1 21 10 11 12,75 1 21 8 13 16,5 2 21 10 11 12,75 2 21 8 13 16,5 3 21 10 11 12,75 3 21 8 13 16,5 4 21 10 11 12,75 4 21 8 13 16,5 5 21 10 11 12,75 5 21 8 13 16,5 6 21 9 12 14,625 6 21 7 14 18,375 7 21 9 12 14,625 7 21 7 14 18,375 8 21 9 12 14,625 8 21 7 14 18,375 9 21 9 12 14,625 9 21 7 14 18,375 10 21 9 12 14,625 10 21 7 14 18,375 11 21 9 12 14,625 11 21 7 14 18,375 Bảng(3–7): Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ở phương án 2 Vị trí các cột h (m) hx (m) ha=h-hx rxo (m) ho (m) 1-2 21 10 11 7,2 17,3 1-2 21 8 13 10,95 17,3 1-5 21 10 11 9,42 18,78 1-5 21 8 13 13,17 18,78 2-5 21 10 11 9,42 18,78 2-5 21 8 13 13,17 18,78 2-3 21 10 11 6,567 16,878 2-3 21 8 13 10,3 16,878 3-4 21 10 11 9,1 18,57 3-4 21 8 13 12,855 18,57 3-5 21 10 11 7,545 17,53 3-5 21 8 13 11,295 17,53 4-5 21 10 11 8,25 18,0 4-5 21 8 13 12,0 18,0 6-7 21 9 12 12,045 19,28 6-7 21 7 14 15,595 19,28 6-11 21 9 12 8,325 16,8 6-11 21 7 14 12,075 16,8 7-11 21 9 12 8,325 16,8 7-11 21 7 14 12,075 16,8 8-9 21 9 12 12,045 19,28 8-9 21 7 14 15,595 19,28 9-10 21 9 12 8,325 16,8 9-10 21 7 14 12,075 16,8 8-10 21 9 12 8,325 16,8 8-10 21 7 14 12,075 16,8 4 -Kết luận. Qua tính toán ở trên ta thấy cả hai phương án đều đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật, nhưng phương án I do các cột 10 ;11 nằm ra ngoài gần tường bao trạm nên đảm bảo về mỹ quan và cách xa các thiết bị mang điện tạo không gian thông thoáng. Ngoài ra do nằm gần tường bao xung quanh trạm nên ta có thể lợi dụng cột để lắp đặt hệ thống chiếu sáng cho trạm. Do vậy ta chọn phương án I. Chương 2: Tính toán nối đất cho trạm 110/35 kv Châu Khê - Bắc Ninh 4.1- Giới thiệu chung và một số vần đề kỹ thuật khi tính toán nối đất trạm biến áp. Nhiệm vụ của nối đất là tản dòng điện xuống đất để đảm bảo cho điện thế trên vật nối đất có trị số bé. Hệ thống nối đất là một phần quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp, do đó việc nối đất của trạm biến áp, các cột thu lôi, các đường dây, các thiết bị chống sét phải được tính toán cụ thể trong khi thiết kế. Nối đất làm việc. Nhiệm vụ chính là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, hoặc một số bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp. Thường là nối đất điểm trung tính máy biến áp. Trong hệ thống điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và các kháng điện dùng trong bù ngang trên các đường dây cao áp truyền tải điện. Nối đất chống sét. Có tác dụng làm tản dòng điện sét vào trong đất (khi sét đánh vào cột thu lôi hay đường dây) để giữ cho điện thế mọi điểm trên thân cột không quá lớn tránh trường hợp phóng điện ngược từ cột thu lôi đến các thiết bị cần được bảo vệ. Nối đất an toàn. Có tác dụng đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện bị hư hỏng. Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại không mang điện như vỏ máy, thùng dầu máy biến áp, các giá đỡ kim loại để khi cách điện bị hư hỏng do lão hoá thì trên các bộ phận kim loại sẽ có một điện thế nhỏ không nguy hiểm (nếu không nối đất thì điện thế này sẽ làm nguy hiểm đến con người khi chạm vào chúng). Do đó nối đất các bộ phận này là để giữ điện thế thấp và bảo đảm an toàn cho con người khi tiếp xúc với chúng.Về nguyên tắc là phải tách rời các hệ thống nối đất nói trên nhưng trong thực tế ta chỉ dùng một hệ thống nối đất chung cho các nhiệm vụ. Song hệ thống nối đất chung phải đảm bảo yêu cầu của các thiết bị khi có dòng ngắn mạch chạm đất lớn do vậy yêu cầu điện trở nối đất phải nhỏ. Khi điện trở nối đất càng nhỏ thì có thể tản dòng điện với mật độ lớn, tác dụng của nối đất tốt hơn an toàn hơn. Nhưng để đạt được trị số điện trở nối đất nhỏ thì rất tốn kém do vậy trong tính toán ta phải thiết kế sao cho kết hợp được cả hai yếu tố là đảm bảo về kỹ thuật và hợp lý về kinh tế. Một số yêu cầu về kỹ thuật của điện trở nối đất: + Đối với các thiết bị điện nối đất trực tiếp, yêu cầu điện trở nối đất phải thoả mãn: R Ê 0,5W.(Theo tiêu chuẩn nối đất an toàn trang 189 giáo trình kỹ thuật điện cao áp). + Đối với các thiết bị có điểm trung tính không trực tiếp nối đất thì: + Đối với hệ thống có điểm trung tính cách điện với đất và chỉ có một hệ thống nối đất dùng chung cho cả thiết bị cao áp và hạ áp thì: + Khi dùng nối đất tự nhiên nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thoả mãn yêu cầu của các thiết bị có dòng ngắn mạch chạm đất bé thì không cần nối đất nhân tạo nữa. Còn nếu điện trở nối đất tự nhiên không thoả mãn đối với các thiết bị cao áp có dòng ngắn mạch chạm đất lớn thì ta phải tiến hành nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số của điện trở nối đất nhân tạo là: R Ê 1W. Bất kỳ một hệ thống nối đất nào cũng phải có các điện cực chôn trong đất và nối với thiết bị mà ta cần nối đất (điện cực thường sử dụng là các cọc sắt thẳng đứng hay các thanh dài nằm ngang) các điện cực này được chôn trong đất có mức tản dòng điện sét phụ thuộc vào trạng thái của đất (vì đất là môi trường không đồng nhất, khá phức tạp, nó phụ thuộc vào thành phần của đất như các loại muối, a xít ... chứa trong đất ). Điều kiện khí hậu cũng ảnh hưởng đến độ dẫn điện của đất. ở Việt nam khí hậu thay đổi theo từng mùa độ ẩm của đất cũng thay đổi theo dẫn đến điện trở suất cuả đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng. Do vậy trong tính toán thiết kế về nối đất thì trị số điện trở suất của đất dựa theo kết quả đo lường thực địa và sau đó phải hiệu chỉnh theo hệ số mùa, mục đích là tăng cường an toàn. Công thức hiệu chỉnh như sau: rtt = rđ.Km Trong đó: rtt: là điện trở suất tính toán của đất. rđ: điện trở suất đo được của đất. Km : hệ số mùa của đất. Hệ số K phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực. Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 110/35kV và các cột thu lôi độc lập do đó ta sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất. Mặt khác do đặt các cột thu lôi trên xà nên phần nối đất chống sét ta nối chung với mạch vòng nối đất của trạm. 4.2- Các số liệu dùng để tính toán nối đất. Điện trở suất đo được của đất: rđ = 0,65.104 W/cm =0,65.102 W/m. Điện trở nối đất cột đường dây: Rc = 9 W. Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38W/km. Chiều dài khoảng vượt đường dây là: Đối với 110kV: l = 200m. Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: Trong đó: a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/ms I: biên độ dòng điện sét I = 150kA tđs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5ms = 4.3- trình tự tính toán. Trạm điện thiết kế có điện áp là 110/35kV, phía 110kV là mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R Ê 0,5 W. Thành phần điện trở nối đất R gồm hai thành phần: + Điện trở nối đất tự nhiên (Rtn). + Điện trở nối đất nhân tạo (Rnt). Đối với các thiết bị có điểm trung tính trực tiếp nối đất (có dòng chạm đất lớn) thì yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải có trị số nhỏ hơn 1W. (4 – 1 ) (4 – 2 ) Vậy điều kiện nối đất là: Từ đó rút ra: 4.3.1- Điện trở nối đất tự nhiên. Rt.n = 1,25 W (đã cho trước). 4.3.2- Điện trở nối đất nhân tạo. Ta sẽ tính toán thiết kế hệ thống nối đất theo điều kiện điện trở nối đất nhân tạo là: Rn.t.yc Ê 0,833 W. 4.3.3- Tính nối đất nhân tạo của trạm 110kV. Đối với trạm biến áp 110kV khi thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo ta sử dụng hình thức nối đất theo mạch vòng có chôn cọc. Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật ABCD có kích thước như sau: Chiều dài l1 = 57m ; Chiều rộng l2 = 56,55m. Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm như hình (4 –2 ): B A D C Hình (4 – 2 ): Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm. l1 l2 Hệ thống nối đất mạch vòng của trạm ta chọn cọc loại thép góc 50x50x5, chiều dài l =2,5m với lý do là để thuận lợi cho việc thi công mà vẫn đảm bảo độ dẫn điện tốt. Mạch vòng nối giữa các cọc dùng loại sắt dẹt có kích thước 50x5. Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm như hình (4 – 3 ): a: là khoảng cách giữa các cọc theo chu vi mạch vòng. l: chiều dài cọc l = 2,5m. t: độ chôn sâu cọc t =0,8m. t a l=2,5m Hình (4 – 3 ): Sơ đồ bố trí mạch vòng cọc trong hệ thống nối đất của trạm Điện trở tản nhân tạo đối với mạch vòng có chôn cọc được xác định theo công thức sau: Trong đó: Rc : là điện trở tản nối đất của cọc (W). Rm.v : là điện trở tản nối đất của mạch vòng (W). n : là số cọc sử dụng. hm.v và hc : tương ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, sử dụng cọc phụ thuộc vào số cọc và tỷ số Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v : Trong đó: r = rđo.Kmùa (thanh) là điện trở suất tính toán của mạch vòng.Tra bảng (2–1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: Kmùa (thanh) = 1,6 vậy r = r.1,6 = 2,08.102 (W.m). L là chu vi mạch vòng: L = 2.(l1 + l2) = 2.(57+56,55) = 227,1m. d là đường kính thanh nối: d = b/2 = 50/2 = 25 (m.m) = 2,5.10-2 m. t là độ chôn sâu (để đảm bảo cho r ổn định ) : t = 0,8m. k là hệ số phụ thuộc hình dạng của hệ thống nối đất . Ta có: Tra bảng (2 – 5) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” được k = 5,53. Thay số vào biểu thức (4 – 3) ta có: Ta nhận thấy điện trở của mạch vòng xung quanh trạm lớn hơn điện trở nhân tạo cho phép để tính toán thiết kế (Rnđ = 0,833 W).Vậy phải dùng thêm số cọc vào hệ thống mạch vòng để giảm trị số điện trở nối đất của hệ thống. Qua kết quả tính toán Rm.v chứng tỏ rằng ta chọn hình thức nối đất an toàn bằng mạch vòng có chôn cọc là hợp lý. Tính điện trở nối đất của một cọc (dùng cọc sắt góc ệ ). Đối với cọc điện trở tản xoay chiều được xác định theo công thức sau: t' 0,8m l Hình (4 – 4): Các kích thước nối đất cọc Trong đó: Cọc có kích thước: l = 2,5m. r là điện trở suất của đất đối với cọc: r = rđo.Kmùa (cọc) . rđo =1,3.102 (W.m). Kmùa (cọc) = 1,4. (Tra bảng (2-1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”) à r = 1,3.102.1,4 = 1,82.102 (W.m). d là đường kính cọc (m) được tính như sau: d = 0,95.b = 0,95.50. 10-3 = 4,75. 10-2m. t là độ chôn sâu: t = 0,8m. Giá trị t/ được tính: Thay số liệu vào (4 – 5 ) ta có: Vậy điện trở của một cọc là 57,6 W. Sau khi tính được Rc và Rmv ta tính điện trở nhân tạo theo công thức (4–3) . Trong công thức này ta chỉ mới biết Rc và R mv vậy ta phải tìm số cọc để Rnt đạt giá trị nhỏ nhất và phải đảm bảo nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tính toán cho phép Rnt Ê 0,833 W. hmv và hc phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong mạch vòng. Ta xét từng trường hợp theo tỷ số với các thông số là: L (chu vi mạch vòng) = 227,1m. l (chiều dài cọc) = 2,5m. * Khi (có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc a = l =0,75m. Ta có số cọc chôn theo chu vi mạch vòng là: cọc. Tra bảng 4 phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: hc = 0,21. Theo bảng 6 trong phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: hthanh = 0,185. Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là: Khi (Có nghĩa là khoảng cách giữa hai cột a = 0,625m) Ta có số cọc chôn theo chu vi là: cọc Tra bảng 4 và bảng 6 trong phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” kết hợp với phương pháp nội suy như hình (4 – 5) ta có : hc = 0,19 ; hthanh = 0,17 Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là: Từ kết quả tính toán có: Rn.t(1) = 0,846.W > Rnhân tạo yêu cầu = 0,833. W. Phương án này không đảm bảo do giá trị điện trở nối đất lớn hơn giá trị điện trở yêu cầu nên bị loại. Rn.t(2) = 0,786 W < 0,833 W = Rnhân tạo yêu cầu Phương án này đảm bảo yêu cầu do giá trị điện trở nối đất nhỏ hơn giá trị điện trở yêu cầu. Vậy ta chọn Rn.t(2) = 0,786 W. Số cọc là 364 cọc. Khoảng cách giữa các cọc là a = 0,625 m. 4.4- tính toán nối đất chống sét. Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều, sau một thời gian, ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn. Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian. T =L.g.l2 (4 – 6 ) Từ (4–6) ta thấy: T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng L.l và điện dẫn tổng của điện cực. Từ biểu thức (4–6) ta thấy khi dòng điện tản trong đất là dòng điện một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào ( thẳng đứng hoặc nằm ngang ) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản. Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tuỳ thuộc vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện. Khi T<< tđ.s (khi dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc và nối đất thể hiện như một điện trở tản. Trường hợp này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm và goị là nối đất tập trung. Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức tđ.s và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và như đã phân tích tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện như một tổng trở Z có giá trị rất lớn so với điện trở tản. Trường hợp này gọi là nối đất phân bố dài. Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, thường thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zx.k có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược đến các phần mang điện của trạm. Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống sét trong trường hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất. 4.4.1- Dạng sóng tính toán của dòng điện sét. Trong tính toán thiết kế ta chọn sóng tính toán của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi (xem hình 4-1) . Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: + Is = a.t khi t < tđs + Is = I khi t ³ tđs Trong đó: + a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/ms + I: biên độ dòng điện sét I = 150kA + tđs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5ms ; 4.4.2- Yêu cầu kiểm tra. Ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của máy biến áp : I.Z(0, tđ.s ) Ê U0,5. Trong đó: I : là trị số dòng điện sét lấy bằng 150kV. Z(0, tđ.s ): là tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực. U0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp U0,5 (MBA) = 460kV. 4.4.3- Tính toán lại trị số điện trở nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét. Do việc dùng hệ thống nối đất an toàn làm hệ thống nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại trị số điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét. Tra bảng 19- 2 sách kỹ thuật điện cao áp ta chọn hệ số mùa sét là: Km.v = 1,2 ; Kcoc = 1,15. Dựa vào công thức (4–4) và (4–5) ta thấy Rm.v và Rcoc. sẽ tỷ lệ thuận với kmùa , do r đo không đổi. Vậy điện trở của mạch vòng là: Điện trở của cọc là: Điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: Trong đó: Rm.v và Rcọc ta vừa tính được. n là số cọc đã tính được n = 364 cọc. hcọc và hm.v đã tính được ở phần nối đất nhân tạo ứng với n = 364 cọc ta có hcọc = 0,19. ; hm.v = 0,17. Vậy: Vậy điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: Rn.t sét =0,647W. 4.4.4- Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét Z(0; tđ.s). Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều kiện sau: + Bỏ qua nối đất tư nhiên. + Bỏ qua các thanh nối cân bằng điện áp trong trạm biến áp. + Trong tính toán, để đơn giản ta bỏ qua quá trình phóng điện tia lửa trong đất và giả thiết điện trở suất của đất không đổi. + Bỏ qua thành phần điện trở, điện dung của điện cực nối đất vì trở rất nhỏ so với thành phần điện kháng và điện dẫn ứng với tần số dòng điện sét. Ta xem mạch nối vòng đất gồm hai tia dài ghép song song với nhau. l =L/2 Hình (4 – 6): Mạch vòng nối đất gồm hai tia dài ghép song song Ta có sơ đồ thay thế: Hình (4–7): Sơ đồ thay thế của mỗi tia. Với L và g là điện cảm và điện dẫn trên một đơn vị dài. R là điện trở nối đất ổn định của cực nối đất R = 0,647W. Với r là bán kính cực nối đất: Thay số vào ta có: Vì điện dẫn ghép song song nên ta có: Tính toán phân bố dài khi không xét quá trình phóng điện trong đất. Từ sơ đồ thay thế có thể thành lập được hệ phương trình vi phân: Giải hệ phương trình trên ta được điện áp tại điểm bất kỳ và thời điểm bất kỳ trên điện cực. Với hằng số thời gian Ta có nên . Từ đó suy ra tổng trở xung kích ở hai đầu vào nối đất: Tổng trở xung kích của nối đất ở đầu vào thời điểm t = tđ.s và xét tới hai tia ghép song song là: Để tính Z(0, tđ.s) xét chuỗi: Vì : e-3 =0,05 ; e-4 =0,018 ; e-5 = 0,0067 ; e-6 = 0,00247 Nên ta chỉ xét đến e-4. Từ e-4 rất bé so với số hạng trước nên ta có thể bỏ qua, tức là tính với k sao cho Ta có nên . Vậy: Hệ số K là nguyên dương nên ta có: Với: tđ.s = 5ms, ta có: Như vậy ta sẽ tính toán với K lớn nhất là 3, tức là K =1á3. Ta có các kết quả như bảng (4 – 1 ): k 1 2 3 15,65 3,9125 1,738 0,32 1,278 2,876 0,726 0,2786 0,056 0,726 0,06965 0,006 Từ bảng (4 – 1 ) ta tính được: Thay các giá trị vào (4 – 11) ta được: Kiểm tra điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cách điện cho máy biến áp với các giá trị : I =m .150kA ; Z(0, tđ.s) = 2,27W. ứng với 2 giá trị trên tại thời điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì thế tại điểm dòng điện sét đi vào là: Usét = I. Z(0, tđ.s) = 150.2,27= 340,5kV. Vậy Usét = 340,5kV < U50% = 460kV. Nhận xét: Do điện trở nối đất đạt yêu cầu nên không phải nối đất bổ xung cho hệ thống chống sét. 4.5- Kết luận. Hệ thống nối đất nhân tạo mạch vòng có chôn cọc như phương án đã chọn là 364 cọc, khoảng cách giữa các cọc là 0,625m, Rn.t = 0,786 W < 0,833 W = Rn.t.y.c . Mạch vòng nhân tạo đảm bảo an toàn cách điện cho máy biến áp khi có dòng điện sét. Sau khi kiểm tra lại nối đất theo yêu cầu chống sét đã đảm bảo điện áp giáng trên máy biến áp khi dòng sét đi vào Usét = 340,5kV < U50% = 460kV, ta không phải tính toán nối đất bổ xung nữa. Chương 3: tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây 110kV Đường dây trong HTĐ làm nhiệm vụ truyền tải điện năng đến các hộ dùng điện. Đường dây là phần tử phải hứng chịu nhiều phóng điện sét nhất so với các phần tử khác trong HTĐ. Khi đường dây bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sét lớn tới mức làm cho quá điện áp xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kích của cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch đường dây, buộc máy cắt đầu đường dây phải tác động. Như vậy việc cung cấp điện bị gián đoạn. Nếu điện áp nhỏ hơn trị số phóng điện xung kích của cách điện đường dây thì sóng sét sẽ truyền từ đường dây vào trạm biến áp và sẽ dẫn tới các sự cố trầm trọng tại trạm biến áp. Vì vậy bảo vệ chống sét cho đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế kết hợp với yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu cung cấp điện của đường dây đó. 2.1- lý thuyết tính toán. 2.1.1- Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét được thể hiện như ( hình 2-1 ) Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h2 cũng được tính theo công thức sau: + Khi hx > 2/3h thì bx = 0,6h (1-hx/h ) (2 – 1) + Khi hx Ê h thì bx = 1,2h (1- hx/0,8h (2 – 2) Chiều dài của phạm vi bảo vệ dọc theo chiều dài đường dây như hình (2– 2 ). Có thể tính toán được trị số giới hạn của góc a là a = 310, nhưng trong thực tế thường lấy khoảng a = 20 0 á 250. 2.1.2- Xác suất phóng điện sét và số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây. Với độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét ) là h, đường dây sẽ thu hút về phía mình các phóng điện của sét trên dải đất có chiều rộng là 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây (l). Từ số lần phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1 km2 ứng với một ngày sét là 0,1á0,15 ta có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng vào đường dây (dây dẫn hoặc dây chống sét). N=(0,6á0,9). h .10-3.l.nng.s (2 – 3) Trong đó: + h: độ cao trung bình của dây dẫn hoặc dây chống sét (m). + l: chiều dài đường dây (km ). + nng. s:số ngày sét /năm trong khu vực có đường dây đi qua. Vì các tham số của phóng điện sét : biên độ dòng điện (Is) và độ dốc của dòng điện (a = dis /dt), có thể có nhiều trị số khác nhau, do đó không phải tất cả các lần có sét đánh lên đường dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện. Chỉ có phóng điện trên cách điện của đường dây nếu quá điện áp khí quyển có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đường dây. Khả năng phóng điện được biểu thị bởi xác suất phóng điện ( Vp đ ). Số lần xảy ra phóng điện sẽ là: Npđ = N. Vpđ = ( 0,6á0,9 ). h . 10-3. l . nng s. Vpđ . ( 2 – 4 ) Vì thời gian tác dụng lên quá điện áp khí quyển rất ngắn khoảng 100 ms mà thời gian của các bảo vệ rơle thường không bé quá một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là khoảng 0,01s. Do đó không phải cứ có phóng điện trên cách điện là đường dây bị cắt ra. Đường dây chỉ bị cắt ra khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện trở thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của đường dây đó. Xác suất hình thành hồ quang (h ) phụ thuộc vào Gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện : h = Ư(Elv) ; Elv = Ulv/lpđ (kV/m ). Trong đó: + h: xác suất hình thành hồ quang. + Ulv: điện áp làm việc của đường dây ( kV ). + lpđ: chiều dài phóng điện ( m). Do đó số lần cắt điện do sét của đường dây là: Ncđ = Npđ. h. = (0,6á0,9). h. nng .s. vpđ. h. (2 – 5) Để so sánh khả năng chịu sét của đường dây có các tham số khác nhau, đi qua các vùng có cường độ hoạt động của sét khác nhau người ta tính trị số " suất cắt đường dây" tức là số lần cắt do sét khi đường dây có chiều dài 100km. ncđ = ( 0,06á0,09). h. nng s. Vpđ .h. (2 – 6) Đường dây bị tác dụng của sét bởi ba nguyên nhân sau: + Sét đánh thẳng vào đỉnh cột hoặc dây chống sét lân cận đỉnh cột. + Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. + sét đánh vào khoảng dây chống sét ở giữa khoảng cột. Cũng có khi sét đánh xuống mặt đất gần đường dây gây quá điện áp cảm ứng trên đường dây, nhưng trường hợp này không nguy hiểm bằng ba trường hợp trên. Khi đường dây bị sét đánh trực tiếp sẽ phải chịu đựng toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, do vậy sẽ tính toán dây chống sét cho đường dây với ba trường hợp trên. Cuối cùng ta có số lần cắt do sét của đường dây. ncđ = nc + nkv + ndd ( 2 – 7) Trong đó: + nc : số lần cắt do sét đánh vào đỉnh cột. +nkv: số lần cắt do sét đánh vào khoảng vượt. + ndd: số lần cắt do sét đánh vào dây dẫn. 2.1.2.1 - Các số liệu chuẩn bị cho tính toán. Đường dây tính toán l = 150km. (Phả Lại – Đông Anh) Xà đỡ kiểu cây thông, lắp trên cột bê tông đơn. Dây chống sét treo tại đỉnh cột. Dây dẫn được treo bởi chuỗi sứ P- 4,5 gồm 7 bát sứ, mỗi bát sứ cao170mm. Dây chống sét dùng dây thép C-70 có d = 11mm ; r = 5,5mm. Dây dẫn dùng dây AC-120mm có d = 19mm; r = 9,5mm. Khoảng vượt là 200m. 2.1.2.2 - Xác định độ treo cao trung bình của dây chống sét và dây dẫn. Độ treo cao trung bình của dây được xác định theo công thức: hdd = h – 2/3f . (2 – 8) Trong đó: + h: độ cao của dây tại đỉnh cột hay tại khoá néo của chuỗi sứ. + f: độ võng của dây chống sét hay dây dẫn. fdd = g. l2/ 8. σ. (2 – 9) g = p/s =492/120. 1000 = 0,0041. (p : khối lượng 1km dây AC- 120 ,p=492 Kg/Km ; s: tiết diện dây AC-120 , s= 120 mm2.) σ : hệ số cơ của đường dây ở nhiệt độ trung bình , σ = 7,25. l: chiều dài khoảng vượt của đường dây = 200m. fdd = 0,0041.2002/8. 7,25 = 2,82758 m ằ 2,8 m. fcs = 1,5 m. Độ treo cao trung bình của dây dẫn theo (2-9) là: hddcs = hcs – 2/3 fcs = 16,2 – 2/3.1,5 = 15,2m. hddtbA = hddA – 2/3 fdd = 12 – 2/3. 1,8 = 10,8 m. hddtbB = hddB – 2/3 fdd = 9 – 2/3. 1,8 = 7,8 m. 2.1.2.3- Tổng trở sóng của dây chống sét và dây dẫn. Zdd = 60.ln (2.hdd / r). ( 2 – 10 ) ZddA = 60. ln [ ( 2. 10,8) / (9,5. 10-3 ) ] = 463,75 W. ZddB = 60. ln [ ( 2. 7,8 ) / ( 9,5. 10-3 ) ] = 444,22 W. Với dây chống sét ta phải tính tổng trở khi có vầng quang và khi không có vầng quang. + Khi không có vầng quang: Zdcs =60. ln [ ( 2. 15,2 ) / ( 5,5. 10-3 )] = 517 W + Khi có vầng quang, ta phải chia Zdcs cho hệ số hiệu chỉnh vầng quang. l = 1,3 ( tra bảng 3-3 sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp). Zdvqcs = Zdcs / l = 517/1,3 = 397,69 W. 2.1.2.4 - Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn chống sét với các dây pha. Công thức (2 – 11) được xác định theo hình (2 – 4). Trong đó: + h2: độ cao trung bình của dây chống sét. + D12: khoảng cách giữa dây pha và ảnh của dây chống sét. + d12: khoảng cách giữa dây chống sét và dây pha. + h1: độ cao trung bình của dây dẫn pha. + l: hệ số hiệu chỉnh vầng quang (l = 1,3) Theo kết quả tính trước ta có: hddA = 10,8m ; hddB = hddC = 7,8m ; hddcs = 15,2m. áp dụng định lý Pitago ta có khoảng cách từ dây chống sét đến các dây pha và từ dây pha đến ảnh của dây chống sét như hình ( 2 – 5). Với pha A: Với pha B,C: Hệ số ngẫu hợp giữa pha A và dây chống sét : áp dụng công thức (2 – 11): Khi có vầng quang: KA-csvq = KA-cs. l = 1,3. 0,19768 = 0,257. Hệ số ngẫu hợp pha B (hoặc pha C )với dây chống sét: Khi có vầng quang : 2.1.2.5- Góc bảo vệ của chống sét. Từ hình (2 – 2 ) ta có: 2.1.2.6- Số lần sét đánh vào đường dây. áp dụng công thức (2-4) với l = 100km ; hddcs = 15,2 m ; nng.s= 80ngày/ năm ; mật độ sét = 0,15. Ta có: N = 0,15. 6 . 15,2. 80. 100. 10-3 = 109 lần/ 100km. năm. Từ cơ sở lý thuyết và các kết quả trên ta tiến hành tính toán suất cắt cho đường dây với ba khả năng đã nêu đối với đường 110kV. 2.2 - tính suất cắt của đường dây 110kv do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. Đường dây có U ≥ 110kV được bảo vệ bằng dây chống sét, tuy vậy vẫn có những trường hợp sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. Tuy xác suất này nhỏ nhưng vẫn được xác định bởi công thức sau: (2-15) Trong đó: a: góc bảo vệ của dây chống sét ( độ). hcs : chiều cao cột đỡ dây chống sét ( m). Khi dây dẫn bị sét đánh, dòng trên dây dẫn là IS/4, vì mạch của khe sét sẽ được nối với tổng trở sóng của dây dẫn có trị số như hình (2 – 6 ) Có thể coi dây dẫn hai phía ghép song song và Zdd = (400á500) W nên dòng điện sét giảm đi nhiều so với khi sét đánh vào nơi có nối đất tốt. Ta có dòng điện sét ở nơi đánh là: Z0: Tổng trở sóng của khe sét. Điện áp lúc đó trên dây dẫn là: (2-14) Khi Udd ³ U50%s của chuỗi sứ thì có phóng điện trên cách điện gây sự cố ngắn mạch 1 pha N(1 ) từ ( 2 – 14) ta có thể viết: Hay độ lớn của dòng điện sét có thể gây nên phóng điện trên cách điện là: Ta có xác suất phóng điện trên cách điện là: Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn: Na = N. Va (2 – 16) Trong đó: N: tổng số lần phóng điện sét của 100 km đường dây đã được xác định tại mục 2.1.4 là: 96 lần / 100km. năm. Va: Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn được xác định theo ( 2 – 12) Xác suất hình thành hồ quang h phụ thuộc vào gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện ( Elv): + lpđ: Chiều dài đường phóng điện lấy bằng chiều dài chuỗi sứ ( m ). + Ulv: Điện áp pha của đường dây. Dựa vào bảng (21 – 1) sách “giáo trình kỹ thuật điện cao áp” vẽ đồ thị và bằng phương pháp nội suy ta có: h = 0,63 Bảng 2 – 1: Xác định hình thành hồ quang: 50 30 20 10 h (đơn vị tương đối) 0,6 0,45 0,25 0,1 Ta có suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn: ndd = Nva. vpđh (2 – 18) Từ ( 2 – 18) ta thấy va và vpđ đều phụ thuộc tỷ lệ chiều cao cột h hay độ cao dây dẫn và góc bảo vệ a, độ cao dây dẫn tăng hoặc a tăng đều làm cho ndd tăng, vậy ta chọn pha A là pha có góc bảo vệ a lớn nhất và hddA lớn hơn so với pha B và pha C để tính suất cắt cho đường dây. Pha A có aA = 19,65 0; hddA = 10,8m. ZddA = 463,75 W ; hcs= 16,2m. Thay các số liệu trên vào công thức ( 2 – 12 ) ta có: Xác suất phóng điện trên cách điện pha A theo công thức ( 2 – 15 ) U50%c = 660kV đối với đường dây 110kV [ tra bảng ( 9 – 5) Kỹ thuật điện cao áp ]. Thay số vào (2 – 18 ) ta có: ndd = 96. 0,756.10-3. 0,804. 0,63. = 0,03676 lần / 100km. năm. 2.3- Tính suất cắt của đường dây 110kV do sét đánh vào khoảng vượt. Theo sách “hướng dẫn thiết kế Kỹ thuật điện cao áp” thì số lần sét đánh vào khoảng vượt là: Nkv= N / 2 ( 2 – 19) Trong đó: N là số lần sét đánh vào đường dây đã được tính ở trên mục (2.1.4) N = 109 lần / 100km. năm. Vậy Nkv = 109 / 2 = 55 lần / 100km. năm. Trong 55 lần sét đánh vào khoảng vượt thì xác suất hình thành hồ quang khi phóng điện đã được xác định tại mục [ 2.2 ] bằng phương pháp nội suy trên hình (2-7) được h = 0,63. Suất cắt của đường dây 110kV do sét đánh vào khoảng vượt như sau: nkv = Nkv. Vpđ. h (2 – 20) Để tính Vpđ ta phải xác định xác suất phóng điện trên cách điện của đường dây. 2.3.1- Phương pháp xác định Vpđ. Ta coi dòng điện sét có dạng xiên gócvới biên độ Is = a. t. Quá điện áp sét xuất hiện trên cách điện của đường dây gồm hai thành phần: Trong đó: + là thành phần quá điện áp do dòng sét gây ra phụ thuộc vào biên độ (I) và độ dốc sét (a). + Ulv : điện áp làm việc của đường dây Xác suất các dòng điện sét có biên độ I ³ Is và độ dốc a ³ as là: (2 – 22) Tại thời điểm ti nào đó điện áp trên cách điện lớn hơn hoặc bằng điện áp chịu đựng cho phép của cách điện, lấy theo đặc tính vôn – giây (V- S) của chuỗi sứ, thì phóng điện sẽ xảy ra: ( 2 – 23) Upđ(ti) điện áp phóng điện lấy theo đặc tính vôn giây ( V – S ) tại ti . Do coi dòng điện có dạng I = a. t thì thành phần Ucđ' (I,a) tỷ lệ với độ dốc a. có thể đặt: Ucđ' (I,a) = Z.a (2 – 24) Vậy: Upđ (ti) = Z.ai + Ulv (2 – 25) Hay ta có độ dốc đầu sóng nguy hiểm ai tại thời điểm ti: (2 – 26) Z là hằng số đối với I và a nên có thể tính được: (2 – 27) Từ ( 2 – 26 ) và ( 2 – 27 ) ta có: ( 2 – 28 ) Mặt khác ta có : Dựa vào các cặp (Ii,ai ) vẽ đường cong nguy hiểm hình (2 – 8) Xác suất phóng điện được tính theo xác suất xuất hiện ở miền bên phải phía trên đường cong nguy hiểm ở hình (2 – 8) Từ đường cong nguy hiểm ta có thể xác định được: , với: Bằng phương pháp gần đúng và tuyến tính hoá đường cong nguy hiểm chia đường cong thành: n = ( 10 á 15 ) khoảng, ta có: ( 2 – 29 ) Sau khi xác định được Vpđ , thay số vào ( 2 – 20 ) ta có suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt của đường dây 110kV. 2.3.2- Trình tự tính toán. Để đơn giản hoá trong tính toán, coi như sét đánh vào khoảng giữa của dây chống sét trong khoảng vượt, khi đó dòng điện sét được chia đều cho hai phía của dây chống sét như hình (2 – 9 ). Như giả thiết dòng điện sét có dạng xiên góc: Ta sẽ tính toán Is ứng với các giá trị trong bảng (2 – 1) sau đây: a(kA / ms) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t (ms) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Điện áp trên dây chống sét tại đỉnh cột có trị số Ucs là: ( 2 – 30 ) Trong đó: + Rc: điện trở nối đất cột + Lc: điện trở thân cột tính theo chiều cao vị trí dây chống sét. Lc = hcs. L0 L0: điện cảm đơn vị dài của cột ( L0 = 0,6 mH/m ) Với hcs = 16,2m ta có Lc=16,2.0,6 = 9,72 mH Điện áp trên dây dẫn là Udd có kể đến ảnh hưởng của vầng quang: Udd = - Kvq.Ucs + Ulv Trong đó: + Ulv là điện áp trung bình của pha. Kvq: hệ số ngẫu hợp của dây dẫn pha với dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang. Điện áp đặt trên chuỗi cách điện là tổng đại số của Udd và Ucs: Ucđ = Ucs + Udd = Ucs- Kvq. Ucs + Ulv ( 2 – 31 ) ( 2 – 32 ) Ucđ = Ucs. (1- Kvq ) + Ulv Từ biểu thức ( 2 – 32 ) ta thấy khi Kvq nhỏ thì Ucđ lớn do vậy theo tài liệu “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp cao áp” thì khi tính toán phải tính với pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ nhất ở mục ( 2.1.3.3 ) ta có: Ta tính Ucđ với Kvq = 0,13; Rc = 20 W. Ucđ = a/2. (20. t + 9,72 ). (1- 0,257) + 57,17 (kV) Cho các giá trị a khác nhau ta tính được điện áp đặt lên chuỗi cách điện của đường dây như trên bảng ( 2 – 2 ) Bảng ( 2 – 2 ): Giá trị Ucđ khi sét đánh vào khoảng vượt, khi độ dốc a thay đổi và ở các thời điểm khác nhau với Rc = 20 W Từ các giá trị trên ta vẽ đường Ucđ = f(t) và a, trên hình vẽ còn thể hiện đường đặc tính (V- S) của chuỗi cách điện Đường đặc tính vôn – giây (V – S) của chuỗi cách điện sẽ cắt các hàm Ucđ = f(a; t; Rc) tại các vị trí mà từ đó ta có thời gian xảy ra phóng điện trên chuỗi sứ như hình (2 – 11). Đặc tuyến vôn – giây (V-S) của chuỗi sứ được tra trong bảng 25 sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Bảng ( 2 – 3 ): Đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện t(ms) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Upđ (kV) 1020 960 900 855 830 810 805 800 797 795 Từ các giá trị trên ta vẽ được đường f(t) và a, trên hình vẽ này còn thể hiện đường đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện. Ta có đồ thị hình (2 – 11) Từ đồ thị hình (2 – 10 ) ta có: ti = 0,53; 0,61; 0,73; 0,88; 1,13; 1,42; 1,95; 2,9; 4,88; 11,9 Tại thời điểm phóng điện ti tương ứng các độ dốc đầu sóng ai ta có trị số sét nguy hiểm: Ii = ai. ti , từ cặp số của (I ; a) ta vẽ được đường cong thông số nguy hiểm hình (2 – 10). 100 80 60 40 20 0 Miền nguy hiểm Miền nguy hiểm I (kA) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 a (kA/ms) Hình(2 –10): Đường cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt. Trong hình 2-11 dưới đây ta lưu ý các điểm sau : - Xác suất phóng điện Vpđ là xác suất mà tại đó có các cặp thông số (Ii;ai) thuộc miền nguy hiểm - Các cặp số (Ii ; ai) nằm trong miền giới hạn nguy hiểm thì sẽ xảy ra phóng điện. Do đó xác suất phóng điện trên cách điện chính là xác suất để cho cặp số (Ii ; ai) thuộc miền nguy hiểm. dVpđ = P (a ³ ai) P (I ³ Ii ). ( 2 – 33 ) Trong đó: + P(I ³ Ii ): là xác suất để cho dòng điện I lớn hơn giá trị dòng điện Ii nào đó. + P(a ³ ai): là xác suất để cho độ dốc a lớn hơn giá trị ai nào đó để gây ra phóng điện 0 1 2 3 4 5 5000 4000 3000 2000 1000 0 Đặc tính (v-s) 1 2 3 4 5 a=90kA/ms a=20kA/ms a=30kA/ms a=100kA/ms a=10kA/ms a=40kA/ms a=50kA/ms a=60kA/ms a=70kA/ms a=80kA/ms Hình 2–11: Điện áp đặt lên cách điện của đường dây khi sét đánh vào khoảng vượt Ucđ (a,t) với Rc = 20 W và đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện Upđ (t). + P(a ³ ai) = P( ai – da ≤a≤ ai + da ) = dVa Với: Thay vào biểu thức ( 2 – 34 ) được: dVpđ = Vi.dVa Bằng phương pháp sai phân xác định được: ( 2 – 34 ) Với : Do trong tính toán về đường cong thông số nguy hiểm ta chỉ tính với 10 giá trị của a và I nên phải tiến hành ngoại suy để phủ kín các giá trị của chúng. Ta được các kết quả như bảng (2 – 4 ). Tính được Vp.đ = 0,00767. 2.3.3- Tính suất cắt tổng do sét đánh vào khoảng vượt đường dây tải điện 110kV. Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt được xác định theo công thức: nkv = Nkv . Vpđ . h (lần / 100km. năm ) ( 2 – 35 ) Nkv = N/ 2 = 96/ 2 = 48 Vậy: nkv = 48. 0,00767. 0,63 = 0,204 ( lần / 100km. năm ) 2.4- tính suất cắt của đường dây110kV do sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Đối với đường dây có dây chống sét bảo vệ, phần lớn thì sét đánh vào dây chống sét ở khoảng vượt và đánh vào khu vực đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Để đơn giản ta xét trường hợp sét đánh ngay đỉnh cột như hình (2 – 12 ): ic ic Ics Ics Iằ0 ic Rc Rc Rc Hình 2-12 : Sét đánh đỉnh cột đường dây có dây chống sét bảo vệ . 2.4.1- Lý thuyết tính toán. Khi sét đánh vào đỉnh cột đường dây có treo dây chống sét, đa số dòng điện sét sẽ đi vào đất qua bộ phận nối đất của cột, phần còn lại theo dây chống sét đi vào các bộ phận nối đất của các cột lân cận. Điện áp trên cách điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét là: ( 2 – 36 ) Trong biểu thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện gồm: + Thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng sét đi trong cột gây ra: +Thành phần điện của điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét gây ra: +Thành phần từ cuả điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét gây ra: +Thành phần điện áp do dòng điện đi trong dây chống sét gây ra, k là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét : kUcs +Điện áp làm việc trung bình của đường dây : Ulv Dấu trừ (-) thể hiện điện áp này ngược dấu với thành phần điện áp khác trong công thức (2 – 36).Vì vậy thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện khi bị sét đánh. 2.4.1.1- Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột gây ra. Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột và điện áp trên dây chống sét liên quan với nhau vì chúngphụ thuộc vào điện áp đi trong cột và dây chống sét. Để tính toán các thành phần này có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét. Ta chia làm hai trường hợp: a/ Trường hợp 1: Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên trở về: Trong đó : + lkv: là chiều dài khoảng vượt +n = c. b với: c là tốc độ ánh sáng ; b: tốc độ phóng điện ngược tương đối của dòng sét. ic ics ics is 2ics Rc is ic Sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét như hình ( 2 – 13 ) Hình ( 2 – 13 ): Sơ đồ tương đương mạch đẫn dòng sét khi chưa có sóng phản xạ tới Trong sơ đồ dòng sét được coi như một nguồn dòng, còn thành phần từ của điện áp cảm ứng trên dây chống sét như một nguồn áp. Mcs là hỗ cảm giữa kênh sét và mạch vòng " dây chống sét - đất ". (2-37) Trong đó: +hcs : độ cao dây chống sét ; hdd: độ treo cao của dây dẫn ; hc: độ cao của cột. +H = hdd + hcs ; +Dh = hc - hdd ; +b : tốc độ phóng điện ngược tương đối của dòng sét. Theo sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp ta có b = 0,3. +n = b.c với c là tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s = 300m/ms +Lccs ; Lcdd : là điện cảm của cột từ mặt đất tới dây chống sét hoặc dây dẫn. ( 2 – 38 ) Khi tính cho dây chống sét ta chỉ việc thay hdd bởi hcs rtd: Bán kính tương đương của dây tiếp địa từ cột xuống cọc nối đất chính là dây dẫn dòng sét trong thân cột. Từ sơ đồ thay thế dây chống sét được biểu thị bởi tổng trở sóng của dây chống sét, có xét đến ảnh hưởng của vầng quang. Từ sơ đồ hình ( 2 – 13 ) ta viết hệ phương trình như sau: Phương trình mạch vòng(*) Phương trình thế nút(**) Giải hệ phương trình nàyđược kết quả là: (2 – 39 ) Tổng trở sóng của dây chống sét Zcs được xác định bởi: (2 – 40 ) Trong đó: Điện áp giáng trên dây chống sét Ucs (t) =ics (t).Zcs b/ Trường hợp 2: Khi có sóng phản xạ từ cột bên trở về: t > 2lkv / v: Trường hợp này tính chính xác phải áp dụng phương pháp đặc tính, ở đây để đơn giản ta tính gần đúng tức là có thể thay dây chống sét bằng điện cảm tập trung nối tiếp với điện trở của đất của hai cột bên cạnh như hình ( 2 – 14 ) Hình 2–14: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ tới Lcs : là điện cảm của một khoảng vượt dây chống sét khong kể đến ảnh hưởng của vầng quang. ( 2 – 41 ) Trong đó: + Zo.cs : là tổng trở sóng của dây chống sét không kể đến ảnh hưởng của vầng quang . + lkv : chiều dài khoảng vượt + c : tốc độ ánh sáng c =300/ms Từ sơ đồ ta xác định được: 2.4.1.2-Thành phần điện của điện áp cảm ứng. Khi không có dây chống sét: Khi có dây chống sét: (2-45) Với K là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn với dây chống sét. 2.4.1.3-Thành phần từ của điện áp cảm ứng: Độ dốc của dòng sét a = (dic/dt) có thể coi là một hằng số đối với mỗi dòng điện sét. Do đó để tính thành phần từ của điện áp cảm ứng ta phải xác định Mdd(t). 2.4.1.4-Xác định suất phóng điện Vpđ : Từ các giá trị điện áp giáng trên chuỗi cách điện và từ đặc tuyến vôn – giây của chuỗi sứ ta có các giá trị thời gian xảy ra phóng điện (ti) . Biên độ dòng điện sét nguy hiểm sẽ là: Ii = ai. ti Từ đây ta có xác suất phóng điện là: Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột: nc = Vpđ . Nc .h 2.4.2-Trình tự tính toán. Số lần sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Nc =N/2 = 96/2 = 48 lần /100km.năm Xác suất hình thành hồ quang: h = 0,63 Xác định Vpđ : Để xác định Vpđ ta phải xác định điện áp đặt trên chuỗi cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Rc = 20W Lcdd = Lo.hdd = 0,6.12 = 7,2mH với Lo là điện cảm đơn vị dài thân cột. v = b.c = 0,3.300 = 90 m/ms là vận tốc phóng điện ngược của dòng điện sét (theo sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp ta có b = 0,3 ; c là vận tốc ánh sáng c = 300m/ms). Ulv vận tốc trung bình của đường dây. Các thành phần còn lại của điện áp trong công thức ( 2 – 36 ) đều phụ thuộc vào độ dốc a, thời gian t và độ cao của dây dẫn. 2.4.2.1- Điện áp giáng trên chuỗi cách điện của pha A. a/ Thành phần điện của điện áp cảm ứng: Thay công thức( 2 – 43 ) vào công thức ( 2 – 44 ) ta có: Trong đó: +Hệ số ngẫu hợp khi có ảnh hưởng của vầng quang pha A : KA-csvq = 0,257 (đã tính ở 2.1.3.3 ). + hcs =hc =16,2m ; hdd = hddA = 12m. H = hcs + hdd = 16,2+12 = 28,8m ; Dh = hcs – hdd =16,2 – 12 = 4,2m. b = 0,3 ;lấy a = 10 ; t = 3ms. Ta có bảng (2 – 4 ) b/ Thành phần từ của điện áp cảm ứng: ; Lcdd = Lo.hddA = 7,2mH áp dụng công thức ( 2 – 46 ) ta có: a =dis/dt : độ dốc đầu sóng của sét dic/dt: tốc độ biến thiên của dòng điện đi trong thân cột có xét tới sự thay đổi trước và sau phản xạ của sóng sét từ cột lân cận trở về. c/ Điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện sét đi trong dây chống sét K.Ucs(t).: Lccs = Lo . hcs = 9,72mH - Ta phải tìm ic và dic /dt trong hai trường hợp: + Trường hợp 1: Trước khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về đó là khoảng thời gian t Ê 2.lkv /c (lkv = 150m là chiều dài khoảng vượt ). t Ê 2.150 /300 =1ms. Theo công thức ( 2 – 39 ) và ( 2 – 40 ) ta có: trong đó : Nhận xét: Khi R; a; t thay đổi thì ic (t) và dic /dt thay đổi. + Trường hợp 2: Khi có sóng sét phản xạ từ cột lân cận trở về : Đó là thời gian t > 2.lkv hay t > 2.150 /300 = 1ms. Theo công thức ( 2 – 42 ) và ( 2 – 43 ) ta có: Và : Trong đó: Viết lại biểu thức điện áp trên chuỗi cách điện: Với dis / dt = a ta có : Ta có: Với K là hệ số ngẫu hợp của pha A với dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang KA-csv q = 0,254 Thay số vào ta có: (2 – 51) 2.4.2.2 - Điện áp giáng trên chuỗi cách điện của pha B; C. a/ Thành phần Ucuđ(t) theo công thức (2-) và (2-) Với b = 0,3; KB-csvq = 0,257 ; hdd = hddB = 9 m ; H = hcs+ hddB = 16,2 + 9 = 25,2m Dh = hcs- hddB = 7,2m b /Thành phần Ucut (t) : Lcdd = L0hddB = 5,4mH c / Thành phần điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện sét đi trong dây chống sét: k.Ucs(t) Theo tính toán pha A ta đã xác định được a1 ; a2 Lcs Theo công thức ( 2 – 3 ) ta có : d/ Với pha B,C ta có : 2.4.2.3- So sánh điện áp giáng trên chuỗi cách điện pha A và pha B. ở cùng một thời gian tác động và cùng một độ dốc của dòng điện sét, ở cùng một thời gian tác động và cùng độ dốc của dòng điện sét, nếu chuỗi cách điện của pha nào có điện áp giáng lớn hơn thì pha đó có xác suất phóng điện lớn hơn. Chọn thông số của dòng điện sét tính toán : t = 3ms; a =10kA/ms. a/ Tính toán với pha A: Thay t và a vào các công thức ( 2 – 52 ); ( 2 – 53 ) ; ( 2 – 54 ): Thay t ; a đã chọn và R =20W vào công thức ( 2 – 39 ) và ( 2 – 40 ): Thay các giá trị Ucưdd(t); Mdd(t) ; Mcs(t) ; ic(t) ; dic/dt vào ( 2 – 5 0): UcđA (t) = (1-0,254).20.30,8+5,6.(7,2-0,254.9,72)+ +10. (6,63+0,254. 9,23)+146,5+57,17 = 716,3kV b/Tính toán với pha B: Thay các giá trị vừa tính toán vào công thức ta có: UcđB(t) = (1-0,13)20.20,85+5,59(5,4- 0,13.9,72)+10(5,236+0,13.9,46) +124,15+57,17 = 631,9kV. So sánh điện áp trên cách điện khi đường dây bị phóng điện ta thấy: UcđA = 716,3kV > UcđB = 631,9kV. Vậy với cùng một tham số của dòng điện sét thì chuỗi cách điện của pha A phải chịu điện áp lớn hơn so với pha B và Pha C. Do đó ta sẽ tính xác suất phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột với các thông số kỹ thuật của pha A. 2.4.3-Tính xác suất phóng điện. Trong biểu thức tính ic(t) và dic/dt ta phải tính trước Mcs(t) với các khoảng chia nhỏ của thời gian (với t = 3ms). Bảng (2 –5): Giá trị tính toán của Mcs(t) và Mdd(t) "với t = 3ms " t(ms) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mdd(t) 3,26 4,41 5,76 6,63 7,26 7,76 8,2 8,53 8,83 9,1 9,4 Mcs(t) 3,86 5,41 7,24 8,41 9,26 9,94 10 11 11,4 11,7 12 Từ kết quả trong bảng ( 2- 4 ) ta tính ic(t); dic/dt theo a và R với 2 khoảng thời gian là t Ê 1ms và t ³ 1ms. a/ Với t Ê 1ms ta tính ic(t) ; dic /dt theo công thức (2–49) và công thức (2–50) b/ Với t ³ 1ms ta xác định ic(t) và dic /dt theo công thức ( 2 – 49 ) và (2 – 50) ta được kết quả ở bảng (2 – 6 ) và bảng (2 – 7 ): Cho biên độ dòng sét nhận các giá trị khác nhau từ 10 đến 100kA chúng ta tính được điện áp đặt lên cách điện của đường dây. Kết quả tính được ghi ở bảng (2 – 8). Từ bảng (2 – 8) vẽ dồ thị Ucd (t , a) và đặc tính (v - s) ta dược các giá trị Ti và các số liệu tính toán ở bảng (2 – 9). Từ bảng (2 – 9) ta tính được Vpđ = 0,0397. Tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột: nc = Nc. Vpđ . h (lần / 100km. năm ) Nc = N / 2 = 96 / 2 = 48 Vậy: n = 48. 0,0397. 0,63 = 1,2 ( lần / 100km. năm ). 2.5- Tính suất cắt tổng do sét đánh vào đường dây tải điện 110kV. Suất cắt toàn bộ đường dây khi có sét đánh trực tiếp được xác định bởi: n = ndd + nkv + nđc (lần /100km.năm) Ta đã tính được suất cắt ndd ; nkv ; nđc ở các phần trên: n = 0,03676 + 0,204 + 1,2 = 1,44 (lần/100km.năm) 2.6- Tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây tải điện 110kV Phả lại - Đông Anh. Chỉ tiêu chống sét cho đường dây là số năm vận hành an toàn giữa hai lần sự cố liên tiếp, ta đã tính được suất cắt đường dây khi bị sét đánh. Chỉ tiêu chống sét cho đường dây Phả Lại - Đông Anh có l = 150km là: (Năm / lần sự cố ) Nhận xét: Sau khi tính toán suất cắt cho đường dây tải điện 110kV ta thấy: - Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn không phụ thuộc vào trị số điện trở nối đất của cột điện, nhưng lại phụ thuộc vào góc bảo vệ a, do đó để giảm số lần cắt điện do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn thì phải giảm góc bảo vệ a. - Khi sét đánh vào khoảng vượt thì khả năng phóng điện trên cách điện của đường dây phụ thuộc vào trị số của điện trở nối đất. Nếu điện trở nối đất nhỏ thì khả năng phóng điện là rất ít vì khi sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt sẽ gây ra các sóng quá điện áp truyền về cột điện, sóng này gặp điện trở nối đất nhỏ nên điện áp đi vào bộ phận nối đất được giảm thấp. - Khi sét đánh vào đỉnh cột thì phần lớn dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của cột điện. Phần còn lại sẽ theo dây chống sét đi vào hệ thống nối đất của cột điện bên cạnh. Do vậy trị số của điện trở nối đất ảnh hưởng lớn đến trị số điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây. Vậy để giảm số lần cắt điện đường dây do sét thì phải giảm điện trở nối đất của cột điện và tăng cường cách điện cho đường dây. Phần iI tính toán sóng quá điên áp truyền vào trạm Tính toán điện áp tại nút 1&2 khi sóng xiên góc có biên độ U50%, truyền tới sau 1 khoảng thời gian t = 5 ms kể từ khi sóng tới điểm 1. m = 4 N = 12 -> L= 15+0,2.4.12= 24,6 m 1) Cho đặc tính V-S chống sét van 110 kV: t ms 1 2 4 6 8 10 12 U (kV) 500 400 300 280 260 250 240 2) Cho đặc tính V-A của chống sét van 110 kV: U = A. Ia ; A = 245 kV ; a = 0,3 3) Biên độ U50% = 700 kV 4) Độ dốc a = 300 kV/ ms. Lấy Z=400W V= 300m/ms I – Tính điện áp trên ác nút 1, 2: Sử dụng phương pháp lập bảng. 1. Tính thời gian sóng truyền giữa các nút: Sóng tới là sóng xiên góc xuất hiện trên đường dây truyền vào trạm với biên độ là U50% = 700kV, và tốc độ a = 300kV/ms. Vậy ta có: Thời gian đầu sóng là: Vậy: U01 = 300 khi t < 2,3ms. = 700 khi t ³ 2,3ms. Thời gian sóng đi hết (hoặc về) quãng đường 1 đến 2 là: Để thuận tiện cho việc tính toán khi sử dụng phương pháp lập bảng ta chọn bước thời gian Dt là ước số chung cho các giá trị T12. Dt = t12 = 0,082 ms. II- Tính điện áp giữa các nút: 1- Khi chống sét van chưa làm việc: Sơ đồ thay thế: a- Tại nút 1: Nút 1 có hai đường dây đi tới với Z1 = Z2 = Z = 400W mỗi đường. Ta có Zđt là: Hệ số khúc xạ và phản xạ tại nút 1: - Sóng tới nút 1: U’01 = Ut và U’21 (khi t < t12 thì U’21 = 0). - Điện áp tại nút 1: U1 = U’01 + U’21 khi t < 2t12 thì U’21 = 0 đ U1 = U’01. - Sóng khúc xạ từ nút 1 sang nút 2: U12 = a1.U’01 = U’01. - Sóng tới nút 2: U’12 = U12.(t + Dt) (chậm sau một khoảng thời gian t = Dt). b- Tại nút 2: Nút 2 có một đường dây hở mạch: Z2 = Ơ. - Hệ số khúc xạ và phản xạ tại nút 2: đ Phản xạ dương toàn phần. - Sóng tới nút 2: U’12. - Sóng phản xạ từ nút 2 về nút 1: U21 = b2.U’12 = U’12. - Điện áp tại nút 2: U2 = a2.U’12 = 2U’12. - Sóng tới nút 1: U’21 = U21(t + Dt) Chậm sau 1 khoảng thời gian t = Dt. Các kết quả tính toán ghi ở bảng: 2- Khi chống sét van làm việc: Sơ đồ thay thế: Sơ đồ Pê-tec-xen: a- Tại nút 1: Tính như phần trên (trước khi CSV làm việc). b- tại nút 2: Sử dụng phương pháp đồ thị để xác định điện áp tại nút 2: - Sóng tới nút 2: U’12 = U12(t + Dt) (vẫn như trước). - Điện áp đẳng trị: Uđt = 2U’12 = Z2.Icsv + U2(csv). - Điện áp tại nút 2: U2 do điện áp dư trên CSV quyết định (xác định bằng đồ thị khi đường 2U’12 cắt V-S). - Điện áp phản xạ từ nút 2 về nút 1: U21 = U2 –U’12. - Sóng tới nút 1: U’21 = U21(t + Dt) (vẫn như trước). Các kết quả tính toán được ghi ở bảng: Các kết quả tính toán được ghi ở bảng