Kỹ thuật cao áp : Bảo vệ chống sét đường dây tải điện part 2 potx

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
10

Khi sét đánh trên dây dẫn của đờng dây cột gỗ sẽ có hai khả năng phóng điện nh nêu
trên hình 8-6.
Phóng điện theo đờng a xảy ra khi
đạt đợc điều kiện:

II
sbv
a
U
==
50%
100
( 8-15)
Tơng tự nh vậy khi phóng điện theo
đờng b:

()
II
U
k
sbv
b
d
=

50%
100 1

(8-16)
Cách điện của hai đờng dây này đều
là cách điện tổ hợp giữa không khí hoặc cách
điện đờng daay với gỗ. Nếu tính mức cách
điện xung kích của gỗ theo
100 / /kV m và so sánh hai khả năng trên sẽ thấy đợc
II
bv
a
bv
b
> nghĩa là phóng điện giữa các pha thờng xảy ra trớc tiên và chỉ khi dòng điện
sét đủ lớn thì mới có phóng điện tiếp theo xuống đất. Ngoài ra theo đờng a thì xác suất
hình thành hồ quang tơng đối bé, ví dụ đờng dây 110kV cột gỗ có chiều dài đờng
phóng điện
l
s
khoảng 10m, građiện điện áp làm việc
EkVm
lv
==
110
1043
64,/
nên hệ
số

gần bằng không trong khi đó chiều dài l
b
khoảng 6,5 građiện

EkVm
lv
==
110
365
17
.,
/
và

= 02,
. Nh vậy dù có xảy ra phóng điện theo khả năng a
thì cũng không thể đa đến cắt điện.
Do đó đối với đờng dây cột gỗ ( không treo dây chống sét và không nối đất) số
lần cắt điện do sét sẽ tính toán theo khả năng phóng điện giữa các pha xác định bởi (21-
16). Ví dụ đờng dây 110kV cột gỗ có
UkV
b
50%
1690=
và
k
d
= 03,
thì
IkA
bv
b
= 24
và

v
pd
= 04,
, suất cắt của đờng dây có chiều cao
hm
=
10
đi trong vùng có
n
ng s.
=
100
sẽ
có trị số bằng:

()
n
cd
=ữ
=
ữ
0 06 0 09 10100 0 4 0 2 4 8 7 2, , . . .,., , ,

Từ ví dụ này thấy rằng, đờng dây cột gỗ có tần số cắt điện thấp hơn nhiều so
với đờng dây cột sắt không có dây chống sét. Khi đờng dây đi qua vùng đất xấu, nối
đất gặp nhiều khó khăn thì việc dùng cột xà gỗ lag hợp lý về kinh tế kỹ thuật vì không
phải đầu t vào phần nối đất mà vẫn đạt đợc mức an toàn vận hành khá cao.

Đ8-4. Sét đánh trên đờng dây có treo dây chống sét
Khi đờng dây có treo dây chống sét thì chủ yếu sét sẽ đánh vào dây chống sét

ngoài ra còn một số lần rất ít sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, khả năng









Hình 8-6
Sét đánh trên dây dẫn đờng dây
cột gỗ.

a
b
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
11

này đợc xác định theo công thức (8-5). Khi sét đánh vào dây chống sét cần phân biệt
trờng hợp sét đánh ở ngay cột điện hoặc khu vực gần cột điện và trờng hợp sét đánh
trong khoảng vợt. Trong trờng hợp đầu, cách điện đờng dây nằm trong vùng có điện
từ trờng mạnh của khe phóng điện sét và đi qua cột điện là toàn bộ dòng điện sét, còn
trong trờng hợp sau do cách điện ở xa nên không xét đến ảnh hởng của điện từ
trờng của khe sét, đồng thời trị số dòng điện sét cũng giảm thấp (ằng 1/2 so với khi
sét đánh ở đỉnh cột) và phải chia làm hai phần nh đều nhau đi vào các cột điện ân cận.
Gọi n là số lần sét đánh trên đờng dây xác định theo công thức (8-4), trị số này
sẽ đợc phân bố nh sau:

Số lần đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
NNN

= .
.

Số lần đánh vào đỉnh cột hoặc khu vực gần cột:

()
NNNv
h
l
N
h
l
c
cc
= =.

(1)
trong đó:
h
c
là chiều cao cột điện và l chiều dài khoảng vợt.

Số lần sét đánh trong khoảng vợt:

NNNN
c1
=

1- Sét đánh vào dây chống sét ở khu vực gần cột điện.
Để đơn giản, xét trờng hợp sét đánh ngay trên đỉnh cột điện ( hình 8-7). Phần
lớn dòng điện sét sẽ đi vào đất qua bộ
phận nối đất cột điện, phần còn lại sẽ
theo dây chông sét đi vào các bộ phận nối
đất của các cột điện lân cận.
Điện áp tác dụng lên cách điện
đờng dây gồm các thành phần sau đây:

Điện áp giáng trên bộ phận nối
đất cột điện
iR
c
. .

Thành phần từ của điện cảm
ứng, ý nghĩa của nó giống nh khi có sét
đánh xuống đất. Trong trờng hợp này,
thành phần từ của điện áp cảm ứng đợc
biểu thị ở dạng tổng số các điện áp gây ra
bởi dòng điện đi trong cột và trong khe phóng điện sét.

() ()
ut L
di
dl
Ml

di
dt
cu
I
c
dd
c
dd
s
=+.
(8-7)
Hệ số
L
c
dd
là trị số điện cảm của phần cột điện từ mặt đất tới mức treo dây dẫn
còn hàm số
(
)
Ml
dd

hỗ cảm giữa các khe phóng điện sét với mạch vòng " dây dẫn -

Hình 8-7
Sét đánh vào đỉnh cột điện đờng dây
có treo dây chống sét.

i
cs
ô i
c
l l
i
cs
i
cs
i
cs
~ 0
i
cs
i
cs
ô i
c
R

R

R

i
s
(t)
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
12

đất". Trị số hỗ cảm là hàm số của thời gian vì chiều dài khe sét tăng cùng với sự phát
triển của phóng điện ngợc.

Thành phần điện của điện áp cảm ứng gây ra bởi điện trờng của khe phóng
điện sét. Thành phần này đợc xác định giống nh ở trờng hợp sét đánh xuống đất
(Đ21-2) và ký hiệu là
()
ut
cu
d


Điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện đi trong dây chống sét. Nếu điện áp
trên dây chống sét là
()
ut
cs
thì thành phần này sẽ bằng
(
)
ku t

cs
mà k là hệ số ngẫu hợp
giữa dây dẫn với dây chống sét hoặc với các dây chống sét. Do quá trình phản xạ nhều
lần của sóng từ các cột lân cận làm giảm điện áp trên dây chống sét nên hệ số ngẫu hợp
có thể lấy theo trị số hình học mà không cẫn xét đến ảnh hởng của vầng quang.

Điện áp làm việc của đờng dây:

uU
lv ph
=
2

.max
( 8-18)
trong đó :
U
ph.max
- là biên độ điện áp pha của đờng dây.
Ba thành phần đầu của điện áp tác dụng lên cách điện đờng dây có cùng dấu và
khi phóng điện sét có cực tónh âm thì chúng sẽ làm cho dây dãn có điện thế dơng so
với cột điện. Thành phần thứ t ngợc dấu nên làm giảm điện áp tổng trên cách điện,
còn thành phần cuối cùng chọn cùng dấu với ba thành phần đầu vì cần tính theo điều
kiện nguy hiểm nhất.
Tóm lại khi có sét đánh trên day chống sét ở khu vực đỉnh cột, điện áp trên cách
điện xác định đợc theo biểu thức:

()
[]
() ()

ut iRL
di
dt
Ml
di
dt
ut kul u
cd c c
c
dd
s
cu
d
cs lv
=+ + + +
(8-19)
Dạng sóng tính toán của dòng điện sét
lấy theo dạng xiên góc
iat
s
= .
Sau khi kết thúc đầu sóng các thành
phần cảm ứng giảm rất nhanh nên điện áp
tổng trên cách điện có dạng nh trên hình 8-8.
Thời gian phóng điện (ở trạm vi đầu
sóng)
t
p
đợc xác định bởi giao điểm của
đờng cong điện áp tổng trên cách điện với

đặc tính " vôn - giây" của nó. Nếu đờng
cong điện áp trên cách điện ứng với độ dốc
xác định
aa
=
1
thì chính nó quyết định biên
độ nguy hiểm của dòng điện sét
Iat
sp111
=
.
.
Nh vậy tất cả các phóng điện sét có biên độ











Hình 8-8
Điện áp trên cách điện đờng dây
ứng với các trị số khác nhau của độ dài
đầu sóng dòng điện
()

ds ds21
>
.
2
1
t
t
p
U(t)
cđ

đs

đs
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
13

dốc
aa
1
và biên độ
II
ss

1
đều gây nên phóng điện trên cách điện đờng dây.
Tiến hành tơng tự với các độ dốc khác
aa a

n23
,,
có thể tính đợc các trị số
dòng điện nguy hiểm tơng ứng
II I
ss sn23
, ,
và xây dựng đợc " đờng cong thông số
nguy hiểm" ( hình 8-9).
Tất cả các phóng điện sét có độ dốc và biên độ nằm trong vùng có gạch chéo
đều dẫn đến phóng điện & xác suất phóng điện
v
pd
đợc xác định trên cơ sở tính toán
xác suất phối hợp giữa hai tham số này. Các tính toán cụ thể sẽ đợc trình bày trong tài
liệu hớng dẫn đồ án.
Do tính toán phức tạp nên thờng dùng phơng pháp tính gần đúng. Kết quả tính
toán theo (8-19) cho thấy, ngay cả khi cột thấp điện áp cảm ứng cũng đã vợt quá thành
phần điện áp ngợc dấu gây ra bởi dòng điện đi trong dây chống sét khiến cho điện áp
tổng trên cách điện bao giờ cũng lớn hơn điện áp giáng trên điện trở nối đất
i
c
R
và còn
lớn hơn cả trị số
iR
s
. Nói cách khác, sự tồn tại của điện áp cảm ứng về mặt toán học
tơng đơng với việc làm tăng điện trở nối đất cột điện thêm phân lợng

R
mà trị số
của nó tỷ lệ với chiều cao cột điện:

Rh
c
=


Điều kiện phóng điện đợc tính toán gần đúng theo công thức:

II
U
Rh
sbv
c
=
+
50%

(8-20)
ở đây:
U
50%

Điện áp phóng điện xung kích bé nhất của cách điện pha.



hệ số, xác định trên cơ sở so sánh với kết quả tính theo phơng pháp chính

xác, có thể lấy gần đúng:


= 015, khi đờng dây có hai dây
chống sét.


= 30
khi đờng dây có một dây
chống sét.
Quan hệ của
với số dây chống
sét hoàn toàn phù hợp với quy luật: khi có
hai dây chống sét hệ số ngẫu hợp giữa
dây dẫn và các dây chống sét tăng nên
thành phần điện áp
ku t
cs
()tăng và do đó
làm giảm điện áp trên cách điện, ngoài ra
trị số tổng trở sóng và điện cảm của hệ
hai dây chống sét giảm thấp làm cho
dòng điện trong dây chống sét tăng và
dòng điện trong cột sẽ giảm tơng ứng

Hình 8-9
Đờng cong thông số nguy hiểm
của đờng dây có treo dây chống sét.
Đờng a- Khi điện trở nối đất cột điệnbé.
Đờng b- điện trở nối đất
b
a
kA I
s
KA/

s
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
14

do đó điện áp trên cách điện càng đợc giảm thấp. Xác suất phóng điện đợc tính toán
theo (15-3) và tiếp theo đó tính đợc trị số
N
pd
theo (8-2) và n
cd
theo (8-4).
2. Sét đánh vào dây chống sét ở trong khoảng vợt:

Khi sét đánh vào dây chống sét ở trong khoảng vợt, ở nơi sét đánh cũng đợc
biểu thị bằng cách ghép nối tiếp tổng trở sóng
Z
cs
/2với tổng trở sóng Z
0
của khe sét và
trong thời gian đầu ( khi cha có phản xạ từ các cột lân cận trở về) điện áp trên dây
chống sét đợc tính theo công tơng tự nh ( 8-12).

(
)
()
u
itZ
it
cs
scs
s
==
.
4
100
(8-21)
( Tổng trở sóng của dây chông sét có cùng trị số với của dây dẫn).
Khi sóng điện áp truyền tới các cột lân cận, do điện trở nối đất cột điện rất bé so
với tổng trở sóng của dây chống sét ( xem nh bị ngắn mạch) nên sóng sẽ phản xạ âm
toàn phần. Để đơn giản cho rằng phóng điện dùng vào giữa khoảng vợt, nghĩa là các
sóng phản xạ cùng trở về đồng thời tới nơi bị sét đánh và điện áp tại điểm này đợc xác
định gần đúng theo sơ đồ hình 8-10. Vì

tổng trở sóng Z
0
có trị số gần bằng
2
cs
Z

nên tại nơi sét đánh sẽ không xảy ra khúc
phản xạ( đối với sóng tới cũng nh sóng
phản xạ từ các cột lân cận trở về) do đó
điện áp trên dây chống sét sẽ thay đổi theo
thời gian nh trên hình 8 - 11.
Điện áp cực đại trên dây chống sét
có trị số bằng:

U
a
Z
l
v
cs cs.max
=
4

Hình 8-10
Sơ đồ thay thế trong trờng hợp
sét đánh giữa khoảng vợt

Z
0
Z
cs
/2
U
cs

Z
cs
/2
l/2
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
15

Nh vậy điện áp này chỉ phụ thuộc
vào độ dốc mà không phụ thuộc vào biên
độ dòng điện sét.
Dới tác dụng của truyền sóng dọc
theo dây chống sét trên dây dẫn sẽ xuất
hiện điện áp:

UkU

dd d cs
= .

k
d
hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn
và dây chống sét ở giữa khoảng vợt có sét
đến ảnh hởng của vầng quang.
Nếu lấy tổng trở sóng
Z
cs
=
400

và
tốc độ truyền sóng
vm
s
= 300 /

thì điện
áp tác dụng lên phần cách điện không khí
giữa dây dẫn và dây chống sét sẽ bằng:

()
Uk
al
cd d
=1
3

( 8-22)
Lấy cờng độ cách điện xung kích của khe hở khí ( trong phạm vi thời gian đầu
sóng) khoảng 750 kV/m và gọi
s
là khoảng cách giữa dây dẫn và dây chống sét thì
điều kiện phóng điện đợc viết theo biểu thức:

()
a
s
kl
d


2250
1
(8-23)
Từ đó có thể tính đợc xác suất phóng điện theo ( 1-4) và tính các trị số
N
pd
và
n
cd
.
Trong thiết kế và thi công đờng dây, thờng chọn khoảng cách đủ lớn để tránh
chạm dây nên khả năng phóng điện ở giữa khoảng vợt rất ít xảy ra và dù có xảy ra thì
vi xác suất hình thành hồ quang rất bé nên khả năng làm nhảy máy cắt điện không đáng
kể so với trờng hợp sét đánh vào dây chống sét ở khu vực đỉnh cột. Ví dụ đờng dây
220KV có khoảng cách
s

= 8m, građiên điện áp làm việc
EkVm
lv
==
220
38
16
.
/
sẽ xác
định đợc

= 02, . Nếu chiều cao đờng dây 25 m và chiều dài khoảng vợt
l
m
=
350

thì suất cắt khi đờng dây qua vùng có số ngày sét 100 ngày/năm chỉ bằng 0,075. Nếu
chiều dài khoảng vợt giảm tới 300m thì số lần cắt điện giảm đi 5 lần.
Khả năng phóng điện xảy ra trên cách điện của cột ( khi sét đánh vào dây chống
sét ở trong khoảng vợt) cũng rất bé tuy rằng cách điện ở đây thấp hơn nhiều so với của
khe hở khí ở giữa khoảng vợt. Nguyên nhân chủ yếu là do khi truyền vế tới cột điện,
sóng gặp phải điện trở nối đất bé nên điện áp giảm thấp. Nói chung trong tính toán có
thể bỏ qua khả năng này trừ trờng hợp cột điện có trị số điện trở nối đất.

Hình 8-11
Xác định điện áp ở giữa khoảng vợt
U
cs
Bóng phản xạ

U


đs


=l/v
al Z
cs
4v

i
s
(t).Z
cs

4

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
16

3. Suất cắt của đờng dây có dây chống sét.
Suất cắt của đờng dây có treo dây chống sét đợc xác định theo công thức:

()
nhn
hc
l
v
hc
l
vv vv
cd cs ng s pd pd pd
=ữ +






+

006 009 1
11 2 2 31
,,. .
.


(8-24)
ở đây:
h
cs
độ treo cao trung bình của dây chống sét (m)

l
chiều dài khoảng vợt (m)

n
ng s.
số ngày có giông sét trong năm.

v
pd1
xác suất phóng điện trên cách điện khi sét đánh trên dây chổng sét ở khu
vực cột điện, xác định gần đúng theo (8-20) và ( 1-3).


1

xác suất hình thành hồ quang trên cách điện ở cột điện.

v
pd 2

xác suất phóng điện trong khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây
chông sét ở giữa khoảng vợt, xác định theo (8-23) và (1-4).

v


xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, xác định theo ( 8-5).

v
pd 8

xác suất phóng điện trên cách điện ( ở cột) khi sét đánh vào dây dẫn, xác
định theo (8-13) và (1-3).
Đờng dây có treo day chống sét thờng là các đờng dây điện áp từ 110 KV trở
lên trong các lới điện có điểm trung tính trực tiếp nối đất, cột điện là cột sắt hoặc bê
tông. Để giảm số lần cắt điện do sét có thể dùng các biện pháp sau đây:

Giảm xác suất phóng điện
v
pd1

bằng cách giảm điện trở nối đất cột điện và
tăng cờng cách điện đờng dây.

Giảm trị số góc bảo vệ

để giảm khả năng sét đánh vào dây dẫn. Trờng hợp

sét đánh thẳng vào dây dẫn đợc xem là nguy hiểm nhất vì rất dễ gây nên phóng điện,
nh ở đờng dây 110kV xác suất phóng điện có thể đạt tới 80 % (Đ 8-3), ở đờng dây
điện áp cao hơn xác suất này vẫn còn giữ các trị số khá hơn. Tuy nhiên cần phải so sánh
về kinh tế kỹ thuật vì giảm góc bảo vệ

sẽ yêu cầu cột cao và làm tăng giá thành.

Đ8-4. Bảo vệ chống Sét đờng dây các cấp điện áp khác nhau:

Trong vận hành , sự cố cắt điện do sét chiếm tỷ lệ lớn trong toànbộ sự cố của hệ
thống và tập trung trên các đờng dây tải điện trên không. Bởi vậy bảo vệ chống sét
đờng dây có tầm quan trọng rất lớn trong việc bảo đảm vận hành an toàn và cung cấp
điện liên tục. Do loại sự cố này là loại sự cố tạm thời, sau khi đã hết quá điện áp có thể
đóng mạch lại để tiếp tục vận hành, do đó việc sử dụng thiết bị tự động đóng lại rất
thích hợp. Kinh nghiệm vận hành nhiều năm cho thấy, đói với các đờng dây 110kV
trở lên xác suất thành công của thiết bị tự động đóng lại đều đạt đợc từ 90% trở lên
làm cho số lần và thời gian mất điện giảm đi nhiều.
Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.
17

Trong lới điện có điểm trung tính cách điện, việc sử dụng cuộn dập hồ quang
cũng có tác dụng rất tốt trong việc giảm số lần sự cố do sét vì nó có thể tự động dập tắt
hồ quang của ngắn mạch chạm đất một pha. Hiện nay ở một số nớc vẫn có các lới
điện áp tới 154kV có điểm trung tính nối đất qua cuọn dập hồ quang, trong các lới
điện này hầu hết các ngắn mạch chạm đất một pha do sét đều đợc loại trừ nên mức độ
an toàn vận hành rất cao.
Bảo vệ chống sét cho các đờng dây cột sắt 35 kV trở lên đã đợc trình bày
nhiều ở các mục trên, ở đây chỉ thảo luận thêm đối với đờng dây cột gỗ. Đờng dây
cột gỗ do có cờng độ cách điện cao và xác suất hình thành hồ quang bé nên số lần cắt

điện do sét bé hơn nhiều so với đờng dây cột sắt có cùng điện áp, do đó không cần
phải có các biện pháp bảo vệ chống sét nào khác ngoài việc treo dây chống sét ở đoạn
tới trạm và đặt chống sét ống ở những nơi cách điện yếu của đờng dây ( các cột sắt cá
biệt của đờng dây cột gỗ, cột hoán vị thứ tự pha, nơi đờng day có giao chéo với các
đờng dây điện lực, điện thoại v.v )
Các đờng dây điện áp thấp hơn ( 3
ữ10kV) thờng dùng cột gỗ nên sẵn có khả
năng bảo vệ chống sét đánh thẳng cũng nh chống sét cảm ứng do đó cũng không cần
có các biện pháp đặc biệt ngàou việc đặt chống sét ống tại các điểm có cách điện yếu
và ở đoạn tới trạm.