Tìm hiểu tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho đường dây 110kv

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.