Đồ án môn học cao áp tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220 110 kv và chuyên đề tính tổn hao vầng quang trên đường dây tải điện siêu cao áp 500 kv
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.7 MB, 174 trang )
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
1
MỤC LỤC
Lời nói đầu 3
Phần I: Phần đồ án
Chương I. Tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220 kV
1.1 Lý thuyết tính toán 4
1.2 Trình tự tính toán 6
1.2.1 Các thông số cho trước 6
1.2.2 Tính toán một số thông số cần thiết 7
1.2.3 Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây 11
1.2.4 Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 11
1.2.5 Suất cắt của đường dây do sét đánh vào khoảng vượt 13
1.2.6 Suất cắt của đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 23
Chương II. Tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ đường dây 220
kV
2.1 Mở đầu 45
2.2 Phương pháp tính điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng vào trạm 46
2.2.1 Phương pháp lập bảng 46
2.2.2 Phương pháp đồ thị 49
2.2.3 Phương pháp tiếp tuyến 50
2.3 Trình tự tính toán 51
2.3.1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất cuả trạm 52
2.3.2 Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ dút gọn 57
2.3.3 Các đặc tính cách điện của thiết bị tại các nút cần bảo vệ 61
Chương III. Tính toán chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kV
3.1 Mở đầu 64
3.2 Các yêu cầu kỹ thuật 65
3.3 Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi 66
3.4 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi 68
3.5 Trình tự tính toán 70
3.6 Các phương án bố trí hệ thống thu sét 72
3.6.1 Phương án 1 72
3.6.2 Phương án 2 93
Chương IV. Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220/110 kV
IV.1 Mở đầu 117
IV.2 Trị số cho phép của điện trở nối đất 118
IV.3 Hệ số mùa 119
IV.4 Tính toán nối đất 119
IV.4.1 Nối đất tự nhiên 119
IV.4.2 Nối đất nhân tạo 120
IV.4.3 Nối đất chống sét 123
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
2
Phần II: Phần Chuyên đề
A, Đặt vấn đề 137
B, Giải quyết vấn đề 137
1 Tác dụng của phân pha đối với vầng quang 137
1.1 Điên dung hệ 3 dây - đất 137
1.2 Điện cảm và điện kháng thứ tự thuận của đường dây 3 pha 139
1.3 Điện dung và điên cảm của đường dây 3 pha dùng dây phân pha 140
2 Tác dụng của phân pha đối với vầng quang 142
2.1 Vầng quang trên đường dây 3 pha dùng dây đơn 142
2.2 Phân bố điện trường trên mặt dây dẫn khi dùng dây phân pha 145
2.3 Tác dụng của phân pha đối với công suất tự nhiên 151
2.4 Tác dụng của phân pha đối với điện cảm và điện dung đường dây 153
3 Xác định tổn hao công suất và tổn hao điện năng do vầng quang cục bộ 154
3.1 Mở đầu 154
3.2 Xây dựng phương pháp giải tích đồ thị để tính tổn hao công suất và tổn
hao điện năng do vầng quang trên đường dây siêu cao áp 156
4 Tính tổn hao vầng quang trên đường dây tải điện siêu cao áp 500 kV
Bắc Nam đoạn Hòa Bình – Hà Tĩnh 162
C, Viết chương trình phần mềm tính toán cho phần chuyên đề 164
1 Giới thiệu chương trình 164
2 Sơ đồ khối của chương trình 165
3 Hướng dẫn sử dụng chương trình 166
D, Nhận xét 171
E, Một số đề suất để giảm tổn thất vẩng quang 172
Tài liện tham khảo 173
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
3
LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng nó bao gồm các nhà
máy điện, mạng lưới điện và các hộ tiêu thụ điện. Nhà máy điện có nhiệm vụ
biến đổi năng lượng sơ cấp như nhiệt năng, cơ năng…thành điện năng. Mạng
lưới điện truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ điện.
Giông sét là hiện tượng tự nhiên, là sự phóng tia lửa điện khổng lồ trong
khí quyển giữa các đám mây và mặt đất, khi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào
các công trình điện, không những gây thiệt hại về mặt kinh tế mà còn đe doạ đến
tính mạng của con người. Vì thế cần thiết phải có các hệ thống chống sét và biện
pháp để bảo vệ an toàn khi có sét đánh vào trạm biến áp.
Cùng với sự phát triển của hệ thống điện các đường dây siêu cao áp cũng
ngày càng được sử phát triển, vì lí do đó mà trong đồ án tốt nghiệp này em xin
được trình bày thêm về phần “nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến tham số
đường dây siêu cao áp khi lựa chọn kết cấu phân pha”, và mạnh dạn viết chương
trình phần mền cho nó. Chương trình này được em sử dụng để khảo sát sự ảnh
hưởng của các yếu tố đến tham số đường dây.
Do mới được tiếp cận với các lý thuyết về phần này và cũng do thời gian
có hạn nên em chưa thể chình bày sâu hơn với các khảo sát chi tiết hơn cho
chuyên đề cùng với các phương pháp khác nhau để tính tổn thất vâng quang cho
đường dây siêu cao áp.
Em rất mong nhận được sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong bộ
môn, em xin trân thành cảm ơn các thầy cô đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án, đặc
biệt em cảm ơn thầy giáo PGS-TS Nguyễn Đình Thắng đã tận tình, chỉ bảo giúp
đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án để em hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình.
Em xin trân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày 28-5-2007
Sinh viên
Lê Chí Linh
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
4
Chương I:
TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT
CHO ĐƯỜNG DÂY 220 kV
Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong lưới điện nên thường bị sét
đánh và gây ra quá điện áp (quá điện áp khí quyển). Quá điện áp có thể gây ra
phóng điện tạo thành ngắn mạch làm cho các máy cắt đường dây tác động, ảnh
hưởng đến sự cung cấp điện liên tục của lưới và đến sự an toàn của các thiết bị
điện khác trong trạm. Vì thế đường dây cần được bảo vệ chống sét đến mức độ
an toàn cao.
Việc bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối không thể thực hiện
được vì vốn đầu tư vào đường dây qúa lớn như tăng cường cách điện đường dây
và đặt các thiết bị bảo vệ chống sét…
Do đó phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét
của đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế, tức là phải tìm phương thức bảo
vệ đường dây sao cho tổn hao do sét gây ra thấp nhất.
Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây là do sét đánh trực tiếp
vào đường dây, vào dây chống sét, vào cột đường dây, thậm chí đánh xuống đất
trong phạm vi gần đường dây.
I.1 Lý thuyết tính toán:
Với độ cao treo dây 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 sét trên giải
đất có chiều rộng 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây L. Từ số lần có
phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1
2
km
ứng với một ngày sét là (0,1
15
,
0
) có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng lên đường dây hàng năm:
ngs
3
nL10h6)15,01,0(N
ngs
3
nL10h)9,06,0(
( lần) (1-1)
Trong đó:
n
ngs
: Số ngày sét hàng năm trong khu vực có đường dây đi qua
h: Chiều cao trung bình của đường dây tính theo m.
L: Chiều dài đường dây tính theo km.
Vì tham số của phóng điện sét bao gồm biên độ dòng điện I
s
và độ dốc của
dòng điện a, có thể có nhiều trị số khác nhau do đó không phải tất cả tất các lần
sét đánh trên đường dây đều gây phóng điện trên cách điện. Để có phóng điện,
quá điện áp khí quyển phải có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đường
dây, khả năng này được biểu thị bởi xác suất phóng điện (
pd
) và như vậy số lần
xảy ra phóng điện trên cách điện sẽ là:
N
pđ
pđ
N
ngs
3
pđ
nL10h)9,06,0(
(1-2)
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
5
Trong khi thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ rơle là không bé qúa
một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là 0,01s, thời gian tác động của quá điện
áp khí quyển là rất nhỏ chỉ khoảng
s
100
, do đó phóng điện xung kích chỉ gây
nhảy máy cắt đường dây khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện đường
dây chuyển thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của lưới điện. Xác suất
chuyển từ tia lửa phóng điện xung kích thành hồ quang duy trì phụ thuộc vào
nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là gradiên của điện áp làm việc dọc
theo đường phóng điện. Trị số građiên càng lớn thì việc duy trì điện dẫn trong
khe hở phóng điện và chuyển thành hồ quang càng thuận lợi.
Với xác suất hình thành hồ quang là
thì số lần cắt điện do sét đánh hàng
năm của đường dây:
3
pdngscđ
10nLh)9,06,0(n
(lần) (1-3)
Để so sánh khả năng chịu sét của các đường dây có các tham số khác
nhau, đi qua các vùng có cường độ hoạt động của sét khác nhau thường tính trị
số “suất cắt của đường dây” tức là số lần cắt khi đường dây có chiều dài 100 km:
pdngscđ
nh)09,006,0(n (lần) (1-4)
Treo dây chống sét là biện pháp rất hiệu quả trong việc giảm số lần cắt
điện đường dây, tuy nhiên cần lưu ý một số vấn đề sau:
- Dây chống sét làm nhiệm vụ bảo vệ chống sét đánh thẳng cho đường dây
nhưng chưa phải là biện pháp an toàn tuyệt đối, vì vẫn có khả năng sét đánh
vòng qua dây chống sét vào dây pha, xác suất này tăng theo chiều cao của cột và
góc bảo vệ
theo biểu thức:
4-
90
hα
=νlg
c
α
(1-5)
Trong đó:
: góc bảo vệ của dây chống sét (độ)
c
h : chiều cao cột điện (m)
- Khi sét đánh xuống đất gần khu vực đường dây thì dưới tác dụng điện từ
trường dòng sét, trên dây dẫn sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng, nếu biên độ điện áp
cảm ứng vượt quá mức cách điện đường dây (U
50%
) thì sẽ gây phóng điện trên
cách điện đường dây. Số lần phóng điện do quá điện áp cảm ứng trên chiều dài
100 km đường dây hàng năm:
260
U
%50
ngs
pđ
%50
e
U
hn)4,236,15(
N
(1-6)
Trong đó:
h: được tính bằng m.
U
50%
:được tính bằng kV.
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
6
Thực nghiệm đã chứng minh được đối với các đường dây 110 kV trở lên
trong tính toán chống sét có thể không xét đến quá điện áp cảm ứng vì số lần
phóng điện gây nên qúa nhỏ so với khi có sét đánh thẳng lên đường dây.
Gọi N là số lần sét đánh trên đường dây được xác định theo công thức:
ngs
3
nL10h)9,06,0(N
(lần)
Trị số này sẽ được phân bố như sau:
- Số lần đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
NN
dd
(1-7)
- Số lần đánh vào đỉnh cột hoặc khu vực gần đỉnh cột:
2
N
2
N-N
N
c
(1-8)
- Số lần đánh vào điểm giữa khoảng vượt và lân cận khoảng vượt:
2
N
2
N-N
N
kv
(1-9)
I.2 Trình tự tính toán:
I.2.1 Các thông số cho trước:
Với lộ đường dây đi Sơn La ta có:
- Dây dẫn là dây nhôm lõi thép AC400/64 có tiết diện phần nhôm F
A
=
390
2
mm
,tiết diện phần thép F
C
= 63,5
2
mm
, đường kính dây 27,7 mm, bán
kính dây 13,9 mm, trọng lượng riêng 1,572 kG/m = 1,542 DaN/m, ứng suất phá
hoại 27,4 DaN/
2
mm
(tr.164 Lưới điện & hệ thống điện– Trần Bách).
- Dây chống sét dùng cho cấp điện áp 220 kV là dây C70 có bán kính
4,72 mm (tr.185 Lưới điện & hệ thống điện– Trần Bách).
- Khoảng vượt đường dây 220 kV là 295m.
- Cách điện là chuỗi sứ cùng loại
5
.
4
có 13 bát, chiều cao
170mm/1bát, như vậy chiều dài chuỗi sứ là:
2210
170
13
(mm)
Độ cao treo dây chọn là 12m như vậy độ cao xà dưới cùng là :
21
,
14
21
,
2
12
(m)
Khoảng cách thẳng đứng từ dây dẫn đến mặt đất trong chế độ làm việc
bình thường không nhỏ hơn 7m với khu vực ít dân cư. Như vậy độ võng của dây
dẫn ta có thể lấy là f
dd
= 4,5 m, độ võng của dây thu sét ta có thể lấy là f
cs
= 4 m
(trong chế độ nóng nhất thì độ võng của dây dẫn là 4,88 m thỏa mãn khoảng
cách an toàn).
- Kích thước cột:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
7
A
C
B
Rc
3,9 m
24,71 m
3,5 m
4 m
2,21 m
6,1 m
12 m
14,21 m
18,5 m
2,7 m
Hình vẽ 1-1 Khích thước cột
I.2.2 Tính toán một số thông số cần thiết:
- Góc bảo vệ của dây thu sét:
+ Pha A:
5636,0
21,24
5,3
tg
A
=>
o
A
4,29
+ Pha B:
48,0
1271,24
1,6
tg
B
=>
o
B
64,25
+ Pha C:
3068,0
1271,24
9,3
tg
C
=>
o
C
06,17
- Độ cao treo dây trung bình của dây thu sét và dây dẫn:
+ Dây thu sét:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
8
4
3
2
71,24f
3
2
hh
cscs
tb
cs
= 22 m
+ Dây dẫn pha A:
5,4
3
2
5,18f
3
2
hh
AA
tb
A
= 15,5 m
+ Dây dẫn pha B:
5,4
3
2
12f
3
2
hh
BB
tb
B
= 9 m
+ Dây dẫn pha C:
5,4
3
2
12f
3
2
hh
CC
tb
C
= 9 m
- Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét:
+ Tổng trở sóng của dây được xác định theo công thức:
dd
tb
dd
r
h2
lg138Z (1-10)
Trong đó:
tb
dd
h : độ cao treo dây trung bình của dây
r
dd
: bán kính của dây.
Tổng trở sóng của dây dẫn pha A:
Z
A
=
462
109,13
5,152
lg138
3
Tổng trở sóng của dây dẫn pha B, C:
Z
B
= Z
C
=
429
109,13
92
lg138
3
Tổng trở sóng của dây chống sét:
Z
cs
=
547
1072,4
222
lg138
3
+ Khi có xét tới ảnh hưởng của vầng quang (do sét đánh) thì thành
phần của điện dung tăng lên làm cho tổng trở sóng giảm. Vì vậy ta cần phải hiệu
chỉnh lại bằng cách lấy tổng trở sóng Z
cs
chia cho hệ số hiệu chỉnh
.
Với cấp điện áp 220kV và có 1 dây chống sét thì
=1,4
330
4,1
462Z
Z
A
AVQ
306
4,1
429Z
ZZ
B
CVQBVQ
390
41
547
,
Z
Z
CS
CSVQ
- Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
9
1'
2'
1
D12
h2
d12
Khi chưa xét ảnh hưởng của vầng quang thì hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn
và dây chống sét được tính như sau:
2
2
12
12
0
r
h2
ln
d
D
ln
K (1-11)
Trong đó các hệ số trên được xác định bằng phép chiếu gương qua mặt
phẳng đất:
Trong đó:
h
2
: Độ treo cao của dây chống sét.
r
2
: Bán kính dây chống sét.
d
12
: Khoảng cách giữa dây dẫn và dây
chống sét.
D
12
: Khoảng cách giữa dây dẫn và ảnh của
dây chống sét.
Hình vẽ 1-2
Khi có xét đến ảnh hưởng của vầng quang thì hệ số ngẫu hợp K được tính
theo công thức:
K =
0
K
Trong đó
4
1
,
do chỉ có 1 dây chống sét.
+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha A:
Trước tiên cần xác định các thông số:
l
A
= 3,5 m
515
1
,hh
tb
A
m
22hh
tb
CS2
m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha A và dây chống sét:
3875152253
222
12
2
12
,),(,)hh(ld
AA
m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha A và ảnh của dây chống sét:
66375152253
222
12
2
12
,),(,)hh(lD
AA
m
Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha A:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
10
K
A
= 250
10724
222
387
6637
41
2
3
2
2
12
12
,
,
ln
,
,
ln
,
r
h
ln
d
D
ln
+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha B:
Trước tiên cần xác định các thông số:
l
B
= 6,1 m
9hh
tb
B1
m
22hh
tb
CS2
m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha B và dây chống sét:
51492216
222
12
2
12
,)(,)hh(ld
BB
m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha B và ảnh của dây chống sét:
63192216
222
12
2
12
,)(,)hh(lD
BB
m
Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha B:
K
B
=
1160
10724
222
514
631
41
2
3
2
2
12
12
,
,
ln
,
,
ln
.
r
h
ln
d
D
ln
+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha C:
Trước tiên cần xác định các thông số:
l
C
= 3,9 m
9hh
tb
C1
m
22hh
tb
CS2
m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha C và dây chống sét:
61392293
222
12
2
12
,)(,)hh(ld
CC
m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha C và ảnh của dây chống sét:
23192293
222
12
2
12
,)(,)hh(lD
BB
m
Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha C:
K
C
=
1270
10724
222
613
231
41
2
3
2
2
12
12
,
,
ln
,
,
ln
.
r
h
ln
d
D
ln
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
11
I.2.3 Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây.
Sét đường dây dài 100 km trong một năm có số lần sét đánh là:
ngs
tb
cs
nh),,(N
3
10090060
Thay số với:
724,h
tb
cs
m
89n
ngs
ngày
=>
198
132
89
7
24
09
0
06
0
,
)
,
,
(
N
lần/100km/1năm.
Trong thiết kế tính toán ta chọn N = 198 lần/100km/1năm.
I.2.4 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây chống
sét vào dây pha.
pđdd
Nn
Trong đó:
N = 198 lần/100km/1năm
: Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
pđ
: Xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây
η
: Xác suất hình thành hồ quang
Chúng ta sẽ lần lượt xác định các thông số trên:
- Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
α
ν :
Được xác định theo công thức:
4-
90
hα
=νlg
c
α
Ta có góc bảo vệ của dây chống sét đối với dây pha A là góc bảo vệ lớn
nhất và dây dẫn pha A cũng nằm cao nhất, cho nên ta giả thiết tất cả sét đánh
vòng qua dây chống sét đều đánh vào pha A:
4
90
7124429
4
90
-
,,
-
h
lg
cA
A
= -2,376
=>
3
1024
,
A
- Xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây
pđ
:
Khi dây dẫn bị sét đánh thì ta có thể xem mạch của khe sét ghép nốt tiếp
với tổng trở sóng của dây dẫn có trị số bằng Z
dd
/2 (dây dẫn ghép song song
nhau). Ta có tổng trở sóng của khe sét Z
0
vào khoảng 200
và tổng trở sóng
của dây dẫn Z
dd
vào khoảng 400
.
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
12
Hình vẽ 1-3
Dòng tại điểm sét đánh:
2
I
2
400
200
200
I
2
Z
Z
Z
II
s
s
dd
0
0
s
Dòng chạy trên dây dẫn là:
4
I
2
I
I
s
dd
=>
dd
s
dddddd
Z
4
I
ZIU
Phóng điện trên cách điện đường dây sẽ xảy ra khi:
dd
%dd
s
dd
UZ
I
U
50
4
=> dòng sét nguy hiểm khi sóng sét có
biên độ thỏa mãn:
dd
dd
%50
snghs
Z
U4
II
Như vậy xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây là:
1,26
I
-
pđ
s
e
=
vq
dd
dd
%50
Z1,26
U4
e
với 1140U
dd
%50
kV
589,0e
3301,26
11404
pđ
- Xác suất hình thành hồ quang
η
:
Xác suất hình thành hồ quang phụ thuộc vào građiên của điện áp làm việc
dọc theo đường phóng điện.
)
l
U
(f
pđ
lv
quan hệ này được cho trong bảng 1-1:
Bảng 1-1:
E
lv
=
pđ
lv
l
U
(kV/m)
50 30 20 10
(đơn vị tương đối)
0,6 0,45 0,25 0,1
Điện áp pha trong mạng 220 kV là:
Z
0
Z
dd
4
I
s
4
I
s
Z
dd
2
I
s
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
13
127
3
220
U
lv
kV
=> 47,57
21,2
127
l
U
E
pđ
lv
lv
kV/m
η
0,629766
0,6
0,45
0,25
0,1
503020
10
Hình vẽ 1-4
Sử dụng phương pháp đồ thị ta có
63
0
,
=> Do vậy suất cắt đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây chống
sét (xét trên 100 km đường dây) là:
63,0589,0102,4198Nn
3
pđdd
309
,
0
lần/100km/năm
I.2.5 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào khoảng vượt:
C
LKV
Zcs
Zcs
0
Hình vẽ 1-5
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
14
Z0 Zcs/2
Zcs/2
l/2
Ucs
Khi sét đánh vào dây chống sét ở trong khoảng vượt, ở nơi sét đánh cũng
được biểu thị bằng cách ghép nối tiếp tổng trở sóng Z
CS
/2 với tổng trở sóng Z
0
của khe sét.
Hình vẽ 1-6
Khi sóng điện áp truyền tới các cột lân cận do điện trở của cột điện rất bé
so với tổng trở sóng của dây chống sét nên sóng sẽ bị phản xạ âm toàn phần. Để
đơn giản ta giả thiết là sét đánh vào chính giữa khoảng vượt, nghĩa là các sóng
phản xạ cũng đồng thời trở về điểm sét đánh. Vì tổng trở Z
0
có giá trị gần bằng
tổng trở xung kích của dây chống sét cho nên không có sóng phản xạ và khúc xạ
tiếp và điện áp tại điểm này được xác định gần đúng theo sơ đồ trên.
Giả thiết dòng điện sét có dạng siên góc:
đsđsS
đsS
tKhi a= I
tKhiat = I
Ta tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s
- Độ dài đầu sóng
đs
biến thiên từ 1 đến 10
s
Điện áp đặt lên chuỗi sứ cách điện khi sét đánh vào khoảng vượt đường
dây là:
LV
s
cs
C
sc
cđ
U)K1(
dt2
)t(di
L
2
)t(IR
)t,a(U
(1-13)
Trong đó:
U
cđ
(a,t): Điện áp đặt lên cách điện chuỗi sứ
U
LV
: Điện áp làm việc của đường dây
R
c
: Điên trở nối đất
I
s
: Dòng điện sét
K: Hệ số ngẫu hợp dữa dây dẫn và dây thu sét
Với dòng điện sét có dạng:
I
s
= at thì
a
dt
)at(d
dt
)t(di
s
Vậy:
LV
cs
C
c
cđ
U)K1(
2
a
L
2
atR
)t,a(U
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
15
LV
cs
Cccđ
U)K1(LtR
2
a
)t,a(U (1-14)
Ta nhận thấy nếu hệ số ngẫu hợp K nhỏ thì U
cđ
(a,t) lớn do đó khi tính ta sẽ
chọn pha B là pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ nhất để tính U
cđ
(a,t).
K
B
= 0,116
Cùng với đó ta có điện trở nối đất cột: R
C
= 10, 15, 20
Điện kháng thân cột:
C0
cs
C
hLL
Trong đó:
L
0
: Điện kháng đơn vị của thân cột L
0
= 0,6
H
/m
h
C
: Chiều cao của thân cột h
C
= 24,71 m
=> 814712460
0
,,,hLL
C
cs
C
H
Điện áp U
LV
là điện áp làm việc trung bình của đường dây được tính:
114220
3
22
)t(d)tsin(U
1
0
maxp
kV
Thay vào công thức trên ta được:
- Với R
C
= 10
ta được:
1141160181410
2
),(,t
a
)t,a(U
cđ
=
114
54
6
42
4
a
,
at
,
Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s
- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
s
Ta có bảng
)t,a(U
cđ
:
Bảng 1-2:
a
kA/
s
t(
s
)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10 223,6
267,8
312 356,2
400,4
444,6
488,8
533 577,2
621,4
20 333,2
421,6
510 598,4
686,8
775,2
863,6
952 1040 1129
30 442,8
575,4
708 840,6
973,2
1106 1238 1371
1504 1636
40 552,4
729,2
906 1083 1260 1436 1613 1790
1967 2144
50 662 883 1104
1325 1546 1767 1988 2209
2430 2651
60 771,6
1037 1302
1567 1832 2098 2363 2628
2893 3158
70 881,2
1191 1500
1809 2119 2428 2738 3047
3356 3666
80 990,8
1344 1698
2052 2405 2759 3112 3466
3820 4173
90 1100 1498 1896
2294 2692 3089 3487 3885
4283 4681
100 1210 1652 2094
2536 2978 3420 3862 4304
4746 5188
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
16
Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện:
Bảng 1-3:
t(
s
)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U
pđ
(kV)
1780
1620
1480
1360
1280
1220
1180
1180
1180
1179
Từ các bảng thống kê trên ta vẽ được đồ thị:
Ucd (kV)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 32 5 64 8 97 10
a = 100kA/µs
a = 90kA/µs
a = 80kA/µs
a = 70kA/µs
a = 60kA/µs
a = 50kA/µs
a = 40kA/µs
a = 30kA/µs
a = 10kA/µs
t (µs)
a = 20kA/µs
U (kV)
pd
Hình vẽ 1-7
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
17
Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì
sẽ có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định được các cặp thông số nguy hiểm
(a
i
, t
i
).
Bảng 1-4:
a
i
(kA/
s
)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t
i
(s) 22,6
10,6
6,62
5,08
4,11
3,45
2,95
2,55
2,22
1,94
I
i
(kA) 226
211 199
203
206
207
207
204
200
194
- Với R
C
= 15
ta được:
1141160181415
2
),(,t
a
)t,a(U
cđ
=
114
54
6
63
6
a
,
at
,
Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s
- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
s
Ta có bảng
)t,a(U
cđ
:
Bảng 1-5:
a
kA/
s
t(
s
)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10
246
312
378
445
511
577
644
710
776
842
20
377
510
643
775
908
1040
1173
1306
1438
1571
30
509
708
907
1106
1305
1504
1703
1901
2100
2299
40
641
906
1171
1436
1702
1967
2232
2497
2762
3028
50
773
1104
1436
1767
2099
2430
2762
3093
3425
3756
60
772
1037
1302
1567
1832
2098
2363
2628
2893
3158
70
1036
1500
1964
2428
2892
3356
3821
4285
4749
5213
80
1168
1698
2228
2759
3289
3820
4350
4880
5411
5941
90
1299
1896
2493
3089
3686
4283
4880
5476
6073
6670
100
1431
2094
2757
3420
4083
4746
5409
6072
6735
7398
Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện:
Bảng 1-6:
t(
s
)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U
pđ
(kV)
1780
1620 1480
1360
1280
1220
1180
1180
1180
1179
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
18
Từ các bảng thống kê trên ta vẽ được đồ thị:
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 32 5 64 8 97 10
6000
7000
a = 100kA/µs
a = 90kA/µs
a = 80kA/µs
a = 70kA/µs
a = 60kA/µs
a = 50kA/µs
a = 40kA/µs
a = 30kA/µs
a = 20kA/µs
a = 10kA/µs
Ucd (kV)
t (µs)
U (kV)
pd
Hình vẽ 1-8
Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì
sẽ có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định được các cặp thông số nguy hiểm
(a
i
, t
i
).
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
19
Với I
i
=
ii
ta
Bảng 1-7:
a
i
(kA/
s
)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t
i
(s)
15,1
7,05
4,9
3,8
3,1
2,59
2,2
1,89
1,63
1,43
I
i
(kA)
151
141
147
152
155
155
154
151
147
143
- Với R
C
= 20
ta được:
1141160181420
2
),(,t
a
)t,a(U
cđ
=
114
54
6
84
8
a
,
at
,
Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s
- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
s
Ta có bảng )t,a(U
cđ
:
Bảng 1-8:
a
kA/
s
t(
s
)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10
268
356
445
533
621
710
798
887
975
1063
20
422
598
775
952
1129
1306
1482
1659
1836
2012
30
575
841
1106
1371
1636
1901
2167
2432
2697
2962
40
729
1083
1436
1790
2144
2497
2851
3204
3558
3911
50
883
1325
1767
2209
2651
3093
3535
3977
4419
4861
60
1037
1567
2098
2628
3158
3689
4219
4750
5280
5810
70
1191
1809
2428
3047
3666
4285
4903
5522
6141
6759
80
1344
2052
2759
3466
4173
4880
5588
6295
7002
7709
90
1498
2294
3089
3885
4681
5476
6272
7067
7863
8658
100
1652
2536
3420
4304
5188
6072
6956
7840
8724
9608
Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện:
Bảng 1-9:
t(
s
)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U
pđ
(kV)
1780
1620
1480
1360
1280
1220
1180
1180
1180
1179
Từ các bảng thống kê trên ta vẽ được đồ thị:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
20
Ucd (kV)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 32 5 64 8 97 10
6000
7000
8000
9000
10000
a = 100kA/µs
a = 90kA/µs
a = 80kA/µs
a = 70kA/µs
a = 60kA/µs
a = 50kA/µs
a = 40kA/µs
a = 30kA/µs
a = 20kA/µs
t (µs)
pd
U (kV)
a = 10kA/µs
Hình vẽ 1-9
Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì sẽ
có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định được các cặp thông số nguy hiểm (a
i
,
t
i
).
Với I
i
=
ii
ta
Bảng 1-10:
a
i
(kA/
s
)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t
i
(s)
11,3
5,63
3,97
3,09
2,5
2,08
1,75
1,5
1,29
1,12
I
i
(kA)
113
113
119
124
125
125
123
120
116
112
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
21
Ta xây dựng được đường cong nguy hiểm với điện trở cột R
C
= 10, 15, 20
:
Is (kA)
250
200
150
100
50
806040200
100
a (kA/µs)
Rc=10 ôm
Rc=15 ôm
Rc=20 ôm
Hình vẽ 1-10
Xác suất phóng điện
pđ
là xác suất để cho cặp thông số nguy hiểm của
phóng điện sét (I, a) thuộc miền nguy hiểm:
)II(P)aa(Pd
iipđ
MNH)I,a(P
pđ
Ta đã có:
126,
I
ii
i
eIIPV
(1-15)
Trong đó:
V
i
là xác suất để cho dòng điện I lớn hơn một giá trị I
i
nào đó.
Nhận xét:
Khi dòng điện sét có biên độ lớn thì xác suất xuất hiện lại nhỏ.
Khi mà biên độ dòng điện sét nhỏ, để qúa trình phóng điện xảy ra thì độ
dốc của dòng điện sét lại cần phải rất lớn do đó xác suất này xảy ra cũng thấp.
Từ nhận sét trên ta có được kết luận:
Để tính xác suất
pđ
ta chỉ cần tính xác suất
pđ
trong miền
s
100
a
.
Nhưng ta không thể xác định được hàm phụ thuộc f(i) mà chỉ có các
thông số rời rạc không liên tục do đó cần phải chia miền để tính:
Chia a thành 10 miền từ 10 đến 100
s
:
Khi đó:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
22
910910
1
1
,
a
,
a
aaai
ii
ii
eeVV
10
1i
i)a(IIpđ
VV
i
+ Trường hợp R
C
= 10
:
Bảng 1-11:
a
s
/
kA
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
I(kA) 226,3 211,4 198,6
203,2
205,5
207 206,5
204 199,8
194
3
i
10V
0,172 0,304 0,496
0,416
0,381
0,359
0,366
0,403
0,474
0,591
3
a
10V
239,9 95,85 38,3 15,3 6,114
2,443
0,976
0,39 0,156
0,104
6
pđ
10
41,16 29,11 18,99
6,362
2,327
0,878
0,358
0,157
0,074
0,061
Ta có xác suất phóng điện là:
10
1
6
104899
j
pđđpđ
,
Như vậy suất cắt trong trường hợp điện trở cột R
C
=10
là:
630104899
2
198
6
,,Nn
pđkvkv
=
3
1026
,
lần/100km/năm
+ Trường hợp R
C
= 15
:
Bảng 1-12:
a
s
/
kA
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
I(kA) 151 141 147 152 155 155 154 151 147 143
3
i
10V
3,072 4,506
3,581
2,956
2,635
2,635
2,738
3,072
3,581
4,174
3
a
10V
239,9 95,85
38,3 15,3 6,114
2,443
0,976
0,39 0,156
0,104
6
pđ
10
737 431,9
137,1
45,24
16,11
6,438
2,673
1,198
0,558
0,433
Ta có xác suất phóng điện là:
10
1j
6
pđđpđ
101379
Như vậy suất cắt trong trường hợp điện trở cột R
C
=15
là:
630101379
2
198
6
,Nn
pđkvkv
=
086
0
,
lần/100km/năm
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
23
+ Trường hợp R
C
= 20
:
Bảng 1-13:
a
s
/
kA
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
I(kA)
113
113
119
124
125
125
123
120
116
112
3
i
10V
13,17
13,17
10,47
8,643
8,319
8,319
8,981
10,07
11,74
13,69
3
a
10V
239,9
95,85
38,3
15,3
6,114
2,443
0,976
0,39
0,156
0,104
6
pđ
10
3161
1263
400,9
132,3
50,86
20,32
8,765
3,929
1,83
1,419
Ta có xác suất phóng điện là:
10
1j
6
pđđpđ
105041
Như vậy suất cắt trong trường hợp điện trở cột R
C
=20
là:
630105041
2
198
6
,Nn
pđkvkv
=
3
0
,
lần/100km/năm
I.2.6 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào đỉnh cột và lân
cận đỉnh cột:
Để đơn giản ta cho rằng sét đánh vào đúng đỉnh cột như hình vẽ, khi đó
phần lớn dòng điện sét I
s
bị tản vào trong đất qua bộ phận nối đất của cột điện,
phần còn lại rất nhỏ sẽ đi theo dây chống sét đi vào đất qua bộ phận nối đất của
cột lân cận.
C
C
LKV LKV
0
C
IC
IC IC
ICS
ICS
I 0
I 0
Hình vẽ 1-11
Khi có quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện đường dây, thì có quá
điện áp đặt lên cách điện của đường dây và điện áp này được xác định theo công
thức:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
24
lvcs
d
cu
s
dd
c
dd
ccccđ
u)t,a(ku)t,a(u
dt
di
)t(M
dt
di
LR)t,a(i)t,a(U
(1-16)
Với các thành phần:
-
cc
R)t,a(i
là thành phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất cột điện.
R
C
= 10, 15, 20
-
dt
di
L
c
dd
c
thành phần điện áp giáng trên điện cảm của phần cột điện tính từ
mặt đất tới điểm treo dây dẫn.
- )t,a(u
d
cu
điện áp cảm ứng gây ra bởi điện trường của khe phóng điện sét
lên dây dẫn.
Hhh)1(
)htv)(Htv()htv(
ln
ah1,0
h
h
K1)t,a(u
c
2
c
dd
dd
c
d
cu
(1-17)
Trong đó:
c
v
: tốc độ tương đối của phóng điện ngược của dòng sét,
3
0
,
c: vận tốc ánh sáng c=300000 km/s = 300m/
s
90
300
3
0
,
v
m/
s
h
dd
: độ treo cao của dây dẫn
H = h
dd
+ h
c
h
c
: độ treo cao của dây chống sét.
-
dt
di
)t(M
s
dd
thành phần từ của điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do
hỗ cảm giữa khe phóng điện sét với mạch vòng dây dẫn - đất, trị số này phụ
thuộc vào thời gian do chiều dài khe phóng điện sét tăng cùng với sự phát triển
của phóng điện ngược.
a
dt
di
s
1
21
20
h
H
ln
h
h
H)(
Hvt
lnh,M
dd
dd
dd
(1-18)
- ku
cs
(a,t) điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện đi trong dây chống
sét, có điên áp là
)t(u
cs
. Mà k là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét.
)t(M
dt
)t,a(di
dt
)t,a(di
LR)t,a(i)t,a(u
cs
sc
cs
ccccs
(1-19)
Trong đó:
cs
c
L điện cảm của phần thân cột tính từ mặt đất đến điểm treo dây
chống sét.
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
25
)t(M
cs
hỗ cảm của khe phóng điện sét với mạch vòng dây chống sét -
đất.
1
h2)1(
h2vt
lnh2,0M
c
c
c
cs
(1-20)
- u
lv
Điện áp làm việc của đường dây, u
lv
= 114,5 kV
Ta cần tìm trị số của dòng điện
)t,a(i
c
và
dt
)t,a(di
c
trong 2 trường hợp:
+ Trước khi có sóng phản xạ từ cột bên cạnh trở về:
c
l2
t
kv
= s2s97,1
300
2952
Sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét như ở hình vẽ (1-11):
dt
dis
Mcs(t)
2
Lc
ic
Zcs
2ics
is
ics
s
ics
ic
Rc
vq
Hình vẽ 1-11
Trong sơ đồ dòng điện sét được coi như một nguồn dòng, coi thành phần
từ của điện áp cảm ứng trên dây chống sét như một nguồn áp.
Dây chống sét được thay bằng một tổng trở sóng có kể đến ảnh hưởng của
vầng quang.
Giải sơ đồ trên ta được:
)
Z
)t(M2tZ(
R2Z
a
)t,a(i
1
vq
cs
cs
vq
cs
c
vq
cs
c
(1-21)
c
vq
cs
vq
csc
R2Z
aZ
dt
)t,a(di
(1-22)
Với
cs
c
c
vq
cs
1
L2
R2Z
+ Sau khi có sóng phản xạ từ cột bên cạnh trở về:
s
2
t
Do ta chỉ xét hai khoảng vượt lân cận bị sét đánh, nên đoạn dây chống sét
của khoảng vượt được thay thế bởi điện cảm L
cs
, ta có sơ đồ thay thế:
