Thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

CHƯƠNG XI: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TỔNG QUAN : Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn của đường dây tải điện ,vào các thiết bị và bộ phận mang điện của nhà máy sẽ gây nên quá điện áp nguy hiểm làm ngắn mạch, chạm đất các pha, gây hư hỏng cách điện của các thiết bị, gây gián đọan cung cấp điện, làm thiệt hại đến nền kinh tế, vì vậy hệ thống điện phải được chống sét một cách có hiệu quả. Ta bảo vệ sét đánh trực tiếp bằng dây dẫn, hoặc cộtt thu sét Đối với vùng có điều kiện thời tiết khắc nghiệt như nước ta thì nên dùng cột thu sét. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU SÉT – TÍNH TOÁN PHẠM VI BẢO VỆ : Khu vực trạm 220 kV và hai tổ máy biến áp tự ngẫu : Các độ cao cần được bảo vệ : Xà đỡ dây MBA và dây vượt có độ cao 16,5m. Xà đỡ thanh góp và thanh góp có độ cao 11m Tất cả 6 máy biến áp tự ngẫu 1 pha có kích thước mỗi máy: cao 8m, rộng 6m, dài 10m Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm và các máy biến áp ta dùng hệ thống cột thu sét đánh số từ 1 đến 17 cột ( cột 12 được dùng để phối hợp với cột 17 bảo vệ cho các xà treo dây liên lạc giữa các cấp điện áp ) như sơ đồ mặt bằng. Dựa vào sơ đồ mặt bằng ta chọn đa giác có đường kính ngoại tiếp lớn nhất là hình chữ nhật ( tạo bởi 4 cột9,10,13,14) có kích thước : 50 x 61,6m2 D== 79,34 m Độ cao lớn nhất h= 16,5m đặt trong diện tích hình chữ nhật (tam giác ) được bảo vệ hoàn toàn nếu thỏa mãn điều kiện : h+h=79,34*+16,5=26,4 m Như vậy chon độ cao của tất cả các cột thu sét h = 27m. Xác định phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét cho độ cao h= 16,5m Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ở độ cao 16,5m : r= 1,6h=1,6*27=10,43 m Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét ở độ cao 11m : r=1,6*h=1,6*26= 18,2 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 1 – 2: h01=h-=27-61,6*=18,2 m r01=1,6*h=1,6*18,2=1,427 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 1 – 5 : ( đôi cột này chỉ bảo vệ độ cao 11m ) h02=h-=27-=21,44 m r02=1,6*21,44=10,67 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 5 – 9 : (đôi cột này chỉ bảo vệ độ cao 11m) h= h-=27-=21,14 m r=1,6*21,14=10,67 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 9 – 13 : (đôi cột này chỉ bảo vệ độ cao 11m) h04= h-=27-=19,86 m r04=1,6*19,86=9,12 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 12-16: h05= h-=27-=17,2 m r05=1,6*17,2=6,05 m Đối với trạm 110kV và khu vực đặt 2 máy biến áp: Các độ cao cần được bảo vệ: Xà đỡ dây MBA và dây trượt có độ cao 11m. Xà đỡ thanh góp và thanh góp có độ cao 7,5m. Hai máy biến áp có kích thước mỗi máy là : cao 5m, rộng 5m, dài 8m. Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm và máy biến áp ta dùng hệ thống cột thu sét đánh số từ 18 đến 30 như sơ đồ mặt bằng. Dựa vào sơ đồ mặt bằng ta chọn đa giác có đường kính lớn nhất là hình chữ nhật (tạo bởi 4 cột 25,26,29,30) có kích thước : 27 x 30m2 Độ cao lớn nhất hx = 11m đặt trong diện tích hình chữ nhật (tam giác) được bảo vệ hoàn toàn nếu thoảõ mãn điều kiện : D==40,36 m h+h=40.36*+11=16,045 m Như vậy chọn độ cao của tất cả các cột thu sét h = 17m Xác định phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét ở độ cao h x= 11m: r= 1,6h=1,6*17=5,83 m Xác định phạm vi bảo vệ bên ngoài các cột thu sét ở độ cao hx = 7,5m: r= 1,6h=1,6*17=10,55 m Ta thấy các cột thu sét như vậy hoàn toàn bảo vệ được các xà đỡ ở độ cao 7,5m. Phạm vi bảo vệ của đôi cột18-19: h01=h-=17-=13,14 m r01=1,6*h01=1,6*13,24=1,86 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 18-23 : h02=h-=17-= 13,07 m r02=1,6*13,07=5,66 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 23-28 : h03=h-=17-=11,23 m Phạm vi bảo vệ của đôi cột 27-30 : h04=h=11,23 m r04=r=3,58 m Với độ cao hx = 5m (các máy biến áp) ta tính được phạm vi bảo vệ của cột là: r= 1,6h=1,6*17=14,84 m Hình vẽ cho thấy rằng xà đỡ thanh góp có độ cao 7,5m và các máy biến áp được bảo vệ hoàn toàn. Đối với những khu vực đường dây mà các cột thu sét không thể che phủ hết được thì ta sẽ đi thêm dây chống sét. Như vậy với cách bố trí các cột thu sét như hình vẽ thì trạm 220kV, trạm 110kV và khu vực đặt MBA được bảo vệ hoàn toàn. Khu vực nhà máy: Nhà máy có 3 ống khói , các ống khói có độ cao 70m, ta phải bảo vệ cho các ống khói này. Lợi dụng độ cao của các ống khói ta bố trí bốn kim thu sét tạo thành hình vuông trên miệng vành ống khói và đặt vòng (đai) dây kim loại trên 4 kim để liên kết các kim lại với nhau. Chọn kim thu sét có độ cao hkim = 15m, thì độ cao của cột thu sét h= 70 + 15 = 85m, nằm trong khoảng (60100)m, nên chiều cao của phạm vi bảo vệ của cột thu sét giảm còn : h’= h-Δh Δh = 0,5(h-60)= 12,5 m h´ = 85-12,5 = 72,5 m Phạm vi (bán kính) bảo vệ của cột thu sét ở độ cao hx= 10m (độ cao trần nhà máy): r= 1,6hp=1,6*72,5*=56,76 m Dựa trên phạm vi bảo vệ của các cột thu sét đặt trên ống khói ta nhận thấy phần nhà máy gần như được bảo vệ toàn bộ. Ngoài ra ta cần đặt các kim thu sét ở các góc đỉnh nhọn, làm đường viền chung quanh mái nhà, nối đất mái nhà làm bằng kim loại. Vậy với cách bố trí như trên thì khu vực nhà máy được bảo vệ hoàn toàn. CHƯƠNG XII : THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Nối đất của hệ thống thu sét (HTTS) đóng vai trò rất quan trọng trong công việc phát huy tac dụng của bảo vệ HTTS. Nếu nối đất không đạt yêu cầu thì nhiều khi hậu quả còn xấu hơn khi không đặt HTTS. Bởi vì HTTS với độ cao vượt hẳn độ cao của công trình, có tác dụng câu sét vào công trình (nghĩa là xác suất sét đánh phụ thuộc vào độ cao), nếu tổng trở xung (điện trở xung kích) của hệ thống nối đất (HTNĐ) khi tản dòng sét quá cao, điện áp giáng xung trên HTNĐ đó lớn có thể sẽ gây nguy hiểm, làm phóng điện xuyên thủng cách điện các trang thiết bị của trạm hoặc gây nên phóng điện ngược trong trạm (và cả trên đoạn đường dây gần trạm) sẽ tạo nên dạng sóng cắt có biên độ, nhất là độ dốc rất lớn, rất nguy hiểm cho cách điện dọc của máy biến áp. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT : Tính toán nối đất tự nhiên: Đối với trạm 220kV: Điện trở suất của đất đo vào lúc khô ráo : pđo =182m Do đó điện trở tính toán : ptt= pđo* km = 184*1,6=294,4 Đối với trạm 220kV : Có 7 đường dây đấu vào trạm 220kV và có đặt DSC trên toàn tuyến, nen : Rcs_c = Do: ρ=294,4 < 500 Nên chọn Rc =10m Điện trở tác dụng của đoạn DCS trong một khoảng vượt : Rcs = k.ro.l Đường dây 220kV sử dụng dây chống sét TK – 70 nên ro = 2,38/km Chiều dài trung bình của khoảng vượt : 1kv = 300m. (= 0,3km) Đường dây 220kV có hai DCS nên k = 0,5 Rcs = k.ro.l =0,5*2,38*0,3=0,357 Rcs_c= = 1,72 Có 7 đường dây đấu vào : R == =0,246 b.Đối với trạm 110kV : Có 6 đường dây đấu vào trạm 110kV và có đặt DCS trên toàn tuyến, nên : Do : ptt = 294,4m < 500m, nên chọn Rc = 10 Điện trở tác dụng của đoạn DCS trong một khoảng vượt Rcs= k.ro.l Đường dây 110kV sử dụng dây chống sét TK – 50 nên ro=3,7/km Chiều dài trung bình khoảng vượt : 1kv =200m (0,2km) Đường dây 110kV có một DCS nên k= 1 Rcs= k.ro.l= 1*3,7*0,2 =0,74 Rcs_c= = = 2,375 Trạm có 6 đường dây đấu vào nên n = 6 Rtt_110 === 0,396 Vậy điện trở nối đất tự nhiên của toàn nhà máy là : Rtn ===0,162 Thiết kế nối đất nhân tạo: a. Nối đất mạch vòng : Mặc dù nối đất tự nhiên nên đã đạt yêu cầu Rtn=0,162< 0,5 nhưng nhằm tăng cường an toàn và dự phòng cho các trường hợp khi nối đất tự nhiên có thay đổi, ta phải đặt thêm bộ phận nối đất nhân tạo có điện trở tản Rnt . Mạch vòng nối đất chạy ven chu vi nhà máy (Rmv) có dạng thanh. Mặt bằng theo thiết kế của toàn nhà máy có kích thước (280 x 250)m2. Chu vi nhà máy : l = 2(l1 + l2) = (280+ 250) = 1060m. Tỷ số l1/l2 = 280/245 = 1,12 bằng cách nội suy tuyến tính ta được hệ số hình dáng của mạch vòng : K=(5,81-5,53)+ 5,53 =5,59 Ta chọn thép tròn có đường kính d=20mm để tạo mạch vòng : Độ chôn sâu của thanh là to=0,8m Điện trở suất của chất đo vào lúc khô ráo pđo=184m. Với nối đất an toàn, tra bảng ta được : km=1,6 ptt = pđokm=184*1,6=294,4 m Vậy điện trở tản xoay chiều của mạch vòng thanh là : Rmv= =ptt * ln=ln=0,87 Do Rmv = 0,87á1 nên ta vẫn sẽ sử dụng nối đất bổ sung. b. Nối đất bổ sung : Ta chỉ xét nối đất bổ sung cho trạm, bỏ qua nối đất bổ sung cho khu vực nhà máy. Nối đất bổ sung có nhiều dạng và kích thước khác nhau. Chọn nối đất bổ sung dạng 2 tia 3 cọc như hình vẽ, chiều dài mỗi tia lt =10m, có đường kính dt=20mm, chiều dài mỗi cọc là lc=2m, đường kính dc=20mm, độ chôn sâu t0 =0,8m. Điện trở tản xoay chiều của hệ 2 tia K – hệ số phụ thuộc vào cách bố trí thanh ngang có tính đến hiệu ứng màn che (phụ thuộc hình dáng) : tra bảng ta được K = 1. t= t+l/2=1,8+=1,8 m R= ptt * ln=294,4*Ln=23,74 Rc=ptt * =130,84 Do khoảng cách giữa các cọc là lớn (10m) so với chiều dài mỗi cọc là 2m nên ta có thể bỏ qua hiệu ứng màn che và xem hệ số sử dụng của tổng hợp là . ===15,37 Ta đặt cả 30 điểm nối đất bổ sung (tương ứng với số cột thu sét) nên điện trở tản xoay chiều của toàn bộ nối đất bổ sung là : ===0,53 Điện trở nối đất nhân tạo của hệ thống là: ===0,331() thỏa ĐK nối đất nhân tao Điện trở tản tổng của toàn bộ HTNĐ : Rt==0,110,5 Vậy thoả điều kiện về quy phạm nối đất an toàn. Tính tổng trở xung của HTNĐ có nối đất bổ sung (NĐBS) : Nhiệm vụ chủ yếu của NĐBS là tản dòng sét một cách thuận lợi, để có hiệu quả tốt cần sử dụng các dạng nối đất tập trung. Vì là nối đất tập trung, nên khi dòng điện đạt trị số cực đại ( t) thì quá trình quá độ đã kết thúc(). Trị số điện trở tản ổn định của NĐBS () như trong phần nối đất an toàn nhưng được quy đổi về mùa mưa. Tổng trở xung của HTNĐ được tính một cách gần đúng theo các tiên đề, giả thiết sau: Coi như chỉ có nối đất bổ sung dưới chân cột bị sét đánh trực tiếp và mạch vòng nối đất ven chu vi của trạm tham gia vào việc tản dòng sét. Bỏ qua hiệu ứng màn che giữa nối đất bổ sung và mạch vòng nối đất của trạm (do mạch vòng của trạm tải trên một khu vực rộng). Bỏ qua hiện tượng phóng tia lửa điện trong đất (nẹt lửa trong đất), chỉ kể đến ảnh hưởng của mạch vòng nối đất. Các giả thiết này làm cho việc tính toán tổng trở tản xung của HTNĐ sẽ đơn giản hơn, kết quả sẽ tương đối chính xác, tuy nhiên có thể thực hiện bằng phương pháp gỉai tích, như vậy kết quả sẽ lớn hơn thực tế và sẽ nghiêng về phía an toàn. Nghiệm có dạng tổng quát có dạng : với Z(0,)=, tổng trở xung đầu vào (x = 0, nơi dòng sét đi vào HTNĐ) của mạch vòng nối đất khi dòng sét đạt trị số cực đại . R’bs=Rbs=15,37=12,01 Trong đó: km - hệ số mùa của thanh về mùa khô : km=1,6. k’m - hệ số mùa của thanh về mùa sét : k’m=1,25 Do sử dụng mạch vòng thanh thuần tuý nên. R’mv =Rmv=0.87=0.7 Tổng trở xung đầu vào của mạch vòng nối đất bằng tổng trở xung đầu vào của một tia tương đương có chiều dài bằng l’(hình XII- 4), với l’= l1+l2 = 280+250 = 530m. Các thông số rãi được tính (theo đơn vị dài m) như sau: L’ =Lo* G’=2*Go Với R=d/2=0,02/2=0,01 m Do đó : Lo=0,2(ln-0,31)=2,094 =0,5*2,094=1,047 Go==1,408. =2,816. Ta được điện cảm tổng ,điện dẫn tổng : L=L’*l’=1,047*530=502,56() G=G’*l’=2,816.*530=1,352 Tổng trở xung đ ầu vào của HTNĐ đạt trị số cực đại gần đúng vào lúc dòng sét qua biên độ, tức lúc t. từ hệ phương trình vi phân: [[- (0,)=+ (1) (Dùng phương pháp toán tử Laplace giải hệ phương trình vi phân) Trong đó: ; Thời hằng T=LG/=502,56*1,352=68,914 () Xk- nghiệm của phương trình vi tuyến (siêu việt) : tg X +X=0tg X+ X=0 tgX +0,0616X =0 Chuỗi số hạng (1) chỉ cần tính đến số hạng thứ k – mà tại đó, A=* 3 Vì eA0,05 có nghĩa là ta chỉ nhận những gía trị : X =20,19(rad) Giải phương trình:(bằng chương trình MATLAB) với điều kiện: X 20,19 rad ta được các nghiệm gần đúng : X1= 3.1419 , X2= 6.3210 , X3 = 9.4120 X4= 12.578 , X5= 15.800 , X6 = 18.8500 Ta thiết lập được bảng tính : K Xk A B C D F 1 3,1419 0,07264203 0,92993366 -0,99999819 1,00000362 0,87564076 2 6,320 0,29392559 O,74533195 0,99919929 1,00160335 0,70076119 3 9,4120 0,65187914 0,52106570 -0,99996797 1,00006406 0,41001307 4 12,578 1,16419688 0,31217327 0,99983784 1,00032439 0,28385871 5 15,80 1,83703497 0,15928902 -0,99499910 1,01007733 0,14857979 6 18,850 2,61472464 0,07318794 0,99994995 1,00010011 0,06890870 Tổng () 2,48776222 Vậy tổng trở xung của HTNĐ có nối đất bổ xung là: Z(0, )=+2R’mv=+ 2*0,7*2,48776222=4,38 KIỂM TRA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT THEO ĐIỀU KIỆN CHỐNG SÉT: Dòng sét tản qua HTNĐ của trạm sẽ tạo nên một điện áp giáng xung trên tổng trở xung của nó, mà trị số cực đại bằng : , với Is là biên độ dòng sét ở đầu vào của HTNĐ. Để không xảy ra phóng điện làm hư hỏng cách điện của các trang thiết bị điện trong trạm, hoặc phóng điện ngược đến các bộ phận mang điện thì điện áp giáng xung phải nhỏ hơn mức cách điện xung bé nhất của trạm, tức là: , (U0,5 – mức cách điện xung bé nhất của thiết bị – cho bởi thực nghiệm). Theo thiết kế, điểm nối đất của cột thu sét cách điểm nối đất trung tính của MBA lớn hơn 15m theo đường thanh dẫn nên ta chỉ kiểm tra với U0,5 của cách điện ngoài của chuỗi sứ mà không cần kiểm tra với U0,5 của cách điện trong của MBA. Tra bảng U0,5 của mỗi chuỗi sứ ở cấp điện áp 110kV là 660kV, 220kV là 1140kV. Theo yêu cầu phải kiểm tra với dòng sét I = a*t có các thông số là: Từ đó tính được điện áp xung kích cực đại là: Ux =Is*Z(0,) = 150*4,38 = 657 (KV) 660 KV Vậy HTNĐ đã thiết kế thoả mãn yêu cầu theo điều kiện chống sét. CHƯƠNG XIII: CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY 110kV KHÁI NIỆM CHUNG : Đường dây tải điện nêu trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ thống điện nên có khả năng (xác suất) bị sét đánh cao nhất và chịu tác dụng của quá trình điện áp. Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đường dây, đưa đến cắt điện mà còn mà còn có thể truyền vào trạm theo đường dây gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị trong trạm, đặc biệt khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc vào cột gây nên phóng điện ngược ở các đoạn đường dây gần trạm. Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng: hoặc do sét đánh trực tiếp vào đường dây, hoặc do sét đánh gần đướng dây gây nên quá điện áp cảm ứng (điện áp ngẫu hợp). Trường hợp đầu nguy hiểm nhất vì đường dây chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, việc bảo vệ chống sét cho đường dây chính là nhằm để hạn chế quá điện áp trong trường hợp này. Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, cường độ hoạt động của sét tương đối lớn, số ngày sét trong năm có thể lên đến trên dưới 100, do đó hầu hết các đường dây tải điện trên không điện áp từ 110kV trở lên đều được bảo vệ bằng dây chống sét (DCS). Số DCS và góc bảo vệ tuỳ thuộc vào tính chất quan trọng của đường dây và công suất truyền tải, và có ảnh hưởng đáng kể đến chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của đường dây. Đường dây có DCS có thể bị sét đánh trực tiếp theo ba khả năng: Sét đánh vào đỉnh cột hay vào DCS ở gần đỉnh cột. Sét đánh vào DCS ở giữa khoảng vượt. Sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn. Chiều dài khoảng vượt : 1kv=200m. Độ võng của dây dẫn : fDD =2,20m. Độ võng của dây chống sét : fDCS =1,84m. Cỡ dây chống sét : TK – 50 . Bán kính của dây chống sét : rCS = 4,6mm. Trong chương này ta sẽ xác định chỉ tiêu chống sét cho đường dây tải điện 110kV. (vị trí của sét có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng sét trên các phần tử của đường dây, ảnh hưởng đến các thành phần điện áp do sét gây ra trên cách điện của đường dây. Đối với đường dây có có thể bỏ qua trường hợp quá điện áp cảm ứng do sét đánh gần đường dây, vì trị số quá điện áp bé so với mức cách điện xung của đường dây (mức cách điện xung của đường dây 110KV là 660KV) nên ít có khả năng gây phóng điện trên cách điện dẫn đến cắt điện). TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT : Các thông số của đường dây: Dạng trụ thép dùng cho đường dây tải điện 110kV như hình XIII-1. trong đó : Chiều dài khoảng vượt : 1kv=200m. Độ võng của dây dẫn : fDD =2,24m. Độ võng của dây chống sét : fDCS =1,84m. Cỡ dây chống sét : TK – 50 . Bán kính của dây chống sét : rCS = 4,6mm. Kích cỡ tối thiểu của đường dây : dmin=11,3mm. Loại sứ thường dùng và số sứ : 7* U0,5 của chuỗi sứ : U0,5 =660kV. Chiều dài toàn bộ chuỗi sứ :1cs =1,3m. Chiều dài phần cách điện của chuỗi sứ : 1cđ = 1,2m. Hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của vầng quãng xung (đường dây có một DCS): Điện áp làm việc : U1v =57kV. Các thông số thống kê : Số ngày có sét trong năm : n = 100 ngày Mật độ sét trung bình : m = 0,1 lần/km2 ngày sét. Hệ số phóng điện ngược : . Điện trở nối đất của cột : . Các thông số cần thiết trong tính toán : Xác định pha dùng cho toàn bộ quá trình tính toán: ta nhận thấy rằng pha A có góc bảo vệ lớn nhất: = tan() =32,47 = tan( =29,9 = tan() = 16,5 Nên pha A sẽ được chọn dùng trong tính toán. Độ treo cao trung bình của DCS: = -= 25-2*1,84*= 23,77 m hcs – độ treo cao của DCS tại cột : hcs =25m fcs – độ võng của DCS : fcs =1,84m. Độ treo cao trung bình của DD: hDD – độ treo của dây dẫn tại cột; fDD – độ võng của dây dẫn(2,40m). =h-f =- *2.4= 21,7-= 20,1 m Hệ số ngẫu hợp k giữa dây dẫn và DCS : Đường dây có một DCS, hệ số ngẫu hợp hình học tính theo : K= Trong đó : - là khoảng cách trung bình giữa ảnh của DCS và dây dẫn pha A : = = =43,915 m - là khoảng cách trung bình giữa DCS và dây dẫn pha A : ==2,796 m K== 0,299 Hệ số ngẫu hợp động (khi xét đến ảnh hưởng vầng quang) kvq :. Hệ số hiệu chỉnh theo ảnh hưởng của vầng quang xung = Đường dây có một DCS thì : k= 1,3*0,299 =0,389 Điện cảm của cột tính đến độ treo cao của dây dẫn : = 0,2h() rtđ(c) –bán kính tương đương của cột điện. rtđ(c) = = = m h = h+ =21,7+25 =46,7 m = h-h =25-21,7= 3,3 m =0,2h() =0,2*21,7(ln) =14,24 Điện cảm của cột khi tính đến độ treo cao của DCS : =0,2*h(ln) =0,2*25(ln)=15,74 Hỗ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “Dây dẫy– đất” : M=0,2( ln-+1) Trong đó : - là hệ số phóng điện ngược : =0,3. v - là vận tốc phóng điện ngược : v =*c =0,3*300 =90 =+ =23,77+20.1=43,87 m = -= 23,77-20,1= 3,67m M=0,2(ln-+1) =0,2*20,1(-ln+1) =4.02ln(1,578t+0,769)+3,109 Hỗ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “DCS – đất” : =0,2(ln+1) =4,754ln(1,052t+0,769)+3,507 Tổng trở sóng của DCS có xét đến ảnh hưởng của vầng quang xung : được tính bởi =Z* Zcs –tổng trở sóng của DCS : Zcs = 60ln=60ln=554,596 =Z* =426,61 Tổng trở sóng của dây dẫn có xét đến ảnh hưởng của vầng quang xung : -tổng trở sóng của dây dẫn : ZDDA= 60ln = 60ln =532,918 = = 409,383 Điện cảm của đoạn DCS trong một khoảng vượt : lkv –chiều dài khoảng vượt : lkv=200m. c –vận tốc ánh sáng trong môi trường không khí : c = 300 ==369,731 XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN VP TRÊN ĐƯỜNG DÂY : Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS gần đỉnh cột : Sơ đồ phân bố dòng sét như hình vẽ : Do Rx << ZDCS nên dòng sét chủ yếu đi qua cột bị sét đánh vào nối đất của cột điện, còn phần nhỏ theo DCS đến các cột kế cận và vào nối đất của chúng. Trong trường hợp này chuỗi sứ của cột bị sét đánh chịu quá điện áp nặng nề nhất. Quá điện áp gồm các thành phần sau : Điện áp giáng trên điện trở tản xung của nối đất cột điện bị sét đánh: U= Với Rx = 10 , -2* = at -2*i Do đó : U= =10(at -2*i) (1) Điện áp cảm ứng từ : Utcư Gồm hai thành phần gây lên bơỉ dòng qua cột tác dụng lên điện cảm của cột và bởi dòng khe sét tác dụng lên hổ cảm giữa khe sét và mạch vòng kín “ DD -đất” Utcư =+ =14,244,02ln(1,758t+0,769)+3,109 (2) Điện áp cảm ứng điện : Uđcư Do sự trung hoà điện tích trong khe sét trong giai đoạn phóng điện ngược, các điện tích ràng buộc trên dây dẫn (được tạo nên cảm ứng trong giai đoạn phóng điện tiên đạo) được giải phóng, chạy về 2 phía của dây dẫn (tính từ cột bị sét đánh) tạo nên thành phần điện áp cảm ứng điện. DCS có tác dụng làm giảm Uđcư , vì trong giai đoạn phóng điện tiên đạo DCS có tác dụng màn che làm giảm số lượng điện tích cảm ứng trên DD. Gọi U'đcư là điện áp cảm ứng điện khi chưa kể đến tác dụng của DCS, thì khi kể đến ảnh hưởng của DCS sẽ có : Uđcư = U'đcư (1-) = U'đcư (1-0,389)= 0,615 U'đcư U'đcư =ln = 6,567*a*ln(0,618t+0,044) Uđcư = 0,615 U'đcư =4,039 *a*ln(0,618t+0,044) (3) Thành phần điện áp cảm ứng tĩnh điện (điện áp ngẫu hợp) trên DD gây nên bởi dòng điện chạy trong DCS : U= -kUcs Với K: là hệ số ngẫu hợp hình học giữa dây dẫn và DCS ( phần I-3) Ta có : k = 0,245 U = R* i + + =10* i +15,74 + [4,754 ln(1,025t+0,769) + 3,507] Do đó : U= -kUcs = -2,45i -3,856 -[1,165ln(1,052t +0,769)+0,86] (4) Điện áp làm việc của đường dây : Ulv = sin =Uđm= 110 (5) = 57,207 k V Vậy điện áp tác dụng lên chuỗi sứ bằng : tổng các phần trên (1) (5): U(t)=iR(1-k)+(-k)+a[(t)+k(t)]+(1-) U'đcư + Để xác định các thành phần điện áp xung trên chuỗi sứ, trước hết ta sẽ xác định các thành phần của dòng sét chạy qua cột (ic) và chạy qua DCS (ics). Có hai trường hợp xét đến: +Trường hợp 1 : khi chưa có sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về : Hình :sơ đồ phân bố thay thế dòng sét khi: t 2*== 1,3 Từ sơ đồ thay thế ta có hệ phương trình: (t) +2(t)=(t)=at Rx*(t)+-2(t)+a(t)= 0 Tính một cách gần đúng: (t)=[.t-2* (t)- *] = =(+ 2*Rx)*= = 14,187 i(t) =[426,61.t-9,508ln(1,052t+0,769)+21,661]=0,995a + Trường hợp 2: khi đã có sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về: t1,33 Nghiêm gân đúng: i(t)=a()(1-) =a().e Với = ==0,04985 0,05 Vậy: i(t)=a()(1-e) =a(1- e-0.05t)[18,012- 0,475ln(1,052t+0,76 Và: =a().e =0,05a .e-0.05t.[18,012-0,475ln(1,025t+0,769)] Ta nhận thấy khi đã có sóng phản xạ trở về thì dòng trên DCS tăng do phản xạ dươnng (Rx<< Zc), còn dòng trên cột sẽ giảm. Tuy nhiên mức độ chênh lệch các vị trí này trước và sau khi có sóng phản xạ trở về không lớn lắm (do ics<< ic), nên trong công thức tính toán chỉ cần tính với trường hợp sau khi có sóng phản xạ trở về. Biểu thức Ucđ(t) sau khi đã có sóng phản xạ trở về : Ucđ(t)=i*Rx(1-k)+(L-kL)+a[M(t)-kM(t)]+(1-)U'đcư +U =7,55i+10,384+a[M-0,245 M(t)]+0,615 U'đcư+57,207 Trong đó: U'đcư (t) =6,567a*ln(0,618t+0,044) Và: M(t)=4,02ln(1,052t+0,769) +3,109 M(t) =4,754ln(1,025t+0,769)+3,507 Ta có hệ phương trình: i(t) = a()(1-e) =a(1-e-0.05t)[18,012-0,475ln(1,052t+0,769)] =a().e =0,05a . e-0.05t.[18,012-0,475ln(1,025t+0,769)] Kết quả tính toán Ucđ(t) – cho ta bảng sau : t – thời gian, a – độ dốc đầu sóng của dòng sét . Bảng XIII-1 A t=1s 2 3 4 5 6 7 5 195,997 252,74 273,192 290,16 304,14 369,4 409,89 10 325,44 446,267 489,29 521,17 541,85 609,12 768,9 15 456,9 645,41 705,27 750,27 782,22 848,21 1029,95 20 586,64 835,336 921,26 982,1 1024,379 1088,62 1294,4 25 716,78 1029,886 1137,24 1262,3 1268,79 1328,3 1553,38 30 816,90 1224,397 1354,21 1492,28 1508,1 1561,42 1814,96 35 977,85 1418,935 1568,66 1673,97 1794,75 1812,25 2073,95 40 1107,89 1613,997 1788,33 1904,81 1991,56 2062,98 2333,87 45 1238,32 1807,626 2001,7 2135,784 2233,44 2314,23 2593,62 50 1373,43 2002,523 2217,19 2366,86 2473,12 2564,66 2853,83 t( 1 2 3 4 5 6 7 U(kV) 1020 930 860 815 790 780 770 Hình : đặc tuyến Ucđ(t)÷a và đặc tuyến Upđ.cs (t) khi sét đánh ở đỉnh cột. Từ đặc tuyến (V-s) của chuỗi sứ Upđ.cs (t) và đặc tuyến (V-s) của họ đường cong Ucđ(t)÷a ta xác định được các thời gian phóng điện tp1, tp2 ,… và trị số của dòng sét với độ dốc đầu sóng ai vào lúc xảy ra phóng điện : a(KA/) 10 15 20 25 30 35 t() 6,8 4,1 2,8 2,1 1,5 1,25 i(kA) 68 61,5 56 52,5 45 43,75 Xác suất phóng điện vp trên chuỗi sứ chính là xác suất xuất hiện dòng sét có độ dốc và biên độ nằm trong vùng nguy hiểm (p). Ưùng với một độ dốc dòng sét cho trước a = ai thì điều kiện để xảy ra phóng điện là:ii tức là: dv=p=V i=e và : P=P =F(a )-F(a) +dv dv = V i* dv Tất cả các thống kê về thông số dòng sét cho thấy giữa biên độ và độ dốc không có mối quan hệ toán học chặt chẽ, do đó có thể coi chúng như những biến số độc lập và xác suất phóng điện v được tính theo : Vp=dv =v* dv=v* dvi Từ biểu thức trên cho thấy có giá trị bằng diện tích (S) giới hạn bởi đường cong xác suất v=f(v), Trong đó: v= e v=e a(kA) 10 15 20 25 30 35 i(kA) 68 61,5 56 52,5 45 43,75 v 0,07314 0,0939 0,116037 0,132758 0,177148 0,185873 v 0,5289 0,3846 0,279745 0,203446 0,147958 0,107603 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đường cong xác suất 0 Một cách gần đúng có thể xem diện tích (S) bằng với diện tích hình thang vuông, khi đó : Vp=0,5(0,168+0,073).0,53=0,069 Suất cắt điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS gần đỉnh cột xác định theo : n=N(1-v)* Vp* Trong đó: N=6*l.m.n.10=6*23,77*100*100*0,1*=142(lần/nam) Ta có: lg v= nên v=0,0064 Ta dùng cột thép và cấp điện áp đường dây là 110 KV nên : n =N(1-v)*Vp*=142(1-0,0064) =3,4(lần/năm) Khi sét đánh vào DCS ở chính giữa khoảng vượt : a. Xét khả năng phóng điện trên khoảng không A-B : UA-B. UA-B. : gồm các thành phần sau : Điện áp cảm ứng tĩnh điện : Uđcư=ln =2,447aln(0,058) Điện cảm ứng từ Utcư=0,2a.ln =0,734aln(0,058) (2) Điện áp cảm ứng trên dây dẫn do dòng điện trên DCS gây nên : = -k*Ucs với :Kvq=0,389 Và : U cs =Zcs*=554,596=138,649 at Do đó : = -0,389*138,649at= -53,934 ( 3) Điện áp làm việc của đường dây : Ulv=sin=110=57,207 (KV) (4) Vậy điện áp tác dụng lên khoảng không A-B là : (1) (4): U= Điện áp UA-B lớn nhất trước khi có sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về, như vậy phóng điện xuyên thủng khoảng cách không khí chỉ có thể xảy ra trong khoảng thời gian : t==0,667 Vậy với t =0,667 ( t =0,667 )=3,797a Utcư( t =0,667 )=1,138a U cs( t =0,667 )=138,649.a0,667=92,48a Ulv =57,207 kV U(t=0,667)= =3,797a+1,138a+92,48(1-0,389)+57,207=61,44a+57,207 (kV) Điện áp phóng điện xung của không khí là Upđ*A-B =500(1+)S Với S:là khoảng cách giữa A và B S==4,347 m Upđ*A-B =500(1+)S=500(1+)4,347 =9994,2 (KV) Quá trình phóng điện xảy ra khi :Upđ*A-B 61,44+57,207 9994,261,44a9936,93 aa=161,734 a=161,734 Xác suất phóng điện trong khoảng không A– B chính là xác suất xuất hiện dòng điện sét có độ bằng và lớn hơn anh. v=v=e=0,434.10 Xét khả năng phónng điện tại chuỗi sứ Với giả thiết gần đúng Zs0,5Zcs Thì dòng điện đổ về phía day chống sét bằng : i/4,tạiđiện trở nối đất của côt điện do Rx Zcs,nên sóng dòng phản xạ coi như dương toàn phần _Điện áp giáng trên diên trở nối đất của coat điện: U=0,5* i*Rx=0,5 at10=5at (1) _Điện áp cảm ứng từ: == (2) _Điện áp cảm ứng trên dây dẫn do dây chống sét gay nên =- Kvq* Ucs=-0,389*138,649 at= -53,934 at (3) _Điện áp làm việc của đường day: U== 57,207 ( kV) (4) _Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ khi sét đánhở chính giữa khoảng vượt: U==1,528at+4,809a+57,207a2 a t=1 2 3 4 5 6 7 5 88,8 96,6 104,22 111,86 119,5 127,14 13,8 10 120,6 135,9 151,14 166,42 181,7 196,982 222,16 15 152,3 175,2 198,1 221 243,9 266,8 289,7 20 183,96 214,6 245,2 275,8 306,4 337 374,6 25 215,63 253,83 292,03 330,23 368,53 406,63 444,83 30 247,32 293,16 339 384,5 430,68 476,52 554,36 35 297,022 332,5 386,0 439,5 493,0 546,2 638,4 40 310,26 371,6 432,6 538,6 554,6 615,6 772,2 45 342,37 411,12 479,88 548,64 617,4 686,16 830,13 50 374,06 450,46 526,86 603,26 679,66 756,06 912,46 t 1 2 3 4 5 6 7 u 1020 930 860 815 790 780 770 Từ đặc tuyến (V -s) của chuỗi sứ Upđ.cs(t) và đặc tuyến (V-s) của họ đường cong Ucđ(t)|a ta xác định được thời gian phóng điện tp1, tp2,… và trị số của dòng sét với độ dốc đầu sóng ai vào lúc xảy ra phóng điện : a(KA/ 40 45 50 Tp() 6,99 6 5,35 i(kA) 279,6 270 267,5 Từ bảng a và is ta lập được bảng số liệu tính các xác suất vi và va : v= e v=e a(kA/) 40 45 50 I( 279,6 270 267,5 Vi 0,000022 0,000031 0,000052 Va O,078256 0,056912 0,04139 Từ bảng số trên ta vẽ được đường cong xác suất va= f(vi) như sau : Ta có thể xem diện tích (S) gần đúng bằng với diện tích hình thang vuông. Vp=0,5(0,000022+0,000052)0,0783=3.10 Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vào chính giữa khoảng vượt được xác định n=N(1-v)(1-)(Vp*) với :0,7 =1,5(-4).10 =1,5(-4).10=1,5().10=15,914. 10 n=142(1-0,0064)(1-)(0,434.10*15,914.10+3.10*0,7) =0,000635(lần/năm ) Khi sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn : Với giả thiết Zs thì dòng điện sét chạy về mỗi phía của đường dây bằng , dòng điện gây nên trên dây dẫn một điện áp bằng . Với - tổng trở sóng của đường dây có tính đến ảnh hưởng của vầng quang xung. Như vậy điện áp tác dụng lên chuỗi sứ là : Ucđ(t)=U=.+ U= 409,383+57,207 =102,346.i+57,207 Phóng điện xảy ra khi : Ucđ(t) hay i 5,89(kA) Xác xuất phóng điện xảy ra trên chuỗi sứ là: Vp=e=e=0,797 Suất cắt điện của đường dây khi sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn là : n=N.v* Vp*= 142*0,0064*0,797*0,7 =0,502(lần/năm ) CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY : Suất cắt điện tổng của đường dây bằng : n = n+ n+n= 0,052+0,00063+3,4= 3,903 (lần/năm ) (suất cắt điện khá lớn, trung bình đối với đường dây 110kV là khoảng 4 lần/năm) chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện cấp 110kV là: M = == 0,256( lần/năm )