Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
chơng IV
Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền
từ đờng dây vào trạm
Mở đầu :
Khi sét đánh thẳng vào đờng dây hoặc đánh xuống mặt đất gần đờng dây gây nên
quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện của hệ thống. Những sóng xuất hiện bởi sét
đánh vào đờng dây hoặc gần đờng dây không gây ra phóng điện mà truyền vào trạm sẽ
gây ra nguy hiểm đối với các thiết bị. Nó có thể chọc thủng lớp điện môi gây phóng điện
trên cách điện và ngay cả khi có phơng tiện bảo vệ hiện đại cũng vẫn đa đến sự cố trầm
trọng nhất trong hệ thống điện.
Tính toán sóng truyền vào trạm nhằm :
- Bảo vệ chống sóng truyền từ đờng dây vào trạm nhằm đảm bảo các chỉ tiêu an toàn
của cách điện với sóng quá điện áp.
- Xác định chỉ tiêu bảo vệ sóng truyền vào trạm ( số 5 làm việc an toàn của trạm với
sóng quá điện áp ) sau khi dự kiến đặt thiết bị.
- Xác định chiều dài cần thiết của đoạn tới trạm cần bảo vệ.
- Trên cơ sở những số liệu cần tính toán theo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, xác định số lợng,
vị trí đặt chống sét van và các thiết bị bảo vệ khác một cách hợp lý.
Chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là một số liệu quan trọng, nó cho phép
đánh giá mức độ an toàn với sóng quá điện áp của trạm. Tuy nhiên việc tính toán khá
phức tạp, khối lợng tính toán lớn. Trớc hết do tham số sóng truyền vào trạm có số liệu rất
khác nhau ( phụ thuộc vào tham số của dòng điện sét, vào kết cấu đờng dây, vị trí sét
đánh . . . ). Do đó việc tính toán quá điện áp trong phạm vi không phải là một hay vài
sóng nhất định mà phải tính toán với nhiều tham số khác nhau. Dựa vào đó tìm ra tham
số giới hạn nguy hiểm của sóng truyền vào trạm, vợt quá giá trị này sẽ xảy ra phóng điện
ở ít nhất một thiết bị nào đó trong trạm. Với trị số tới hạn của tham số sóng sét, biết phân
bố xác suất của chúng ta có thể tính đợc chỉ tiêu sóng truyền vào trạm.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
97
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp

Tuy nhiên không giống tham số của dòng điện sét, tham số sóng truyền vào trạm
không có phân bố xác suất chung cho các sóng truyền đến trạmvì nó rất khác nhau trong
từng lới điện và trạm cụ thể. Việc xác định phân bố nà, đối với từng trạm cũng rất phức
tạp nên ngời ta sử dụng một số giả thuyết đơn giản hoá.
Một khó khăn nữa của việc tính bảo vệ chống sóng truyền vào trạm có khối lợng
tính toán lớn. Trớc hết bài toán truyền sóng trong trạm với một số sóng có tham số cho tr-
ớc truyền vào từ đờng dây đã khá phức tạp ( mạng nhiều nút và phải tính toán rất nhiều ).
Thực tế ngời ta sử dụng phơng pháp đo đạc trực tiếp hay trên mô hình máy tính điện tử.
Với những trạm đơn giản ngời ta có thể tính toán bằng phơng pháp lập bảng và việc tính
toán các chỉ tiêu có thể thực hiện một cách dễ dàng. Còn đối với các trạm phức tạp thì
khối lợng tính toán tơng đối lớn và việc tính toán cũng rất khó khăn. Do đó khi tính toán
sóng truyền vào trạm ngời ta đa ra một số giả thiết để đơn giản hoá.
I- Các yêu cầu kỹ thuật
-Trong trạm biến áp có các thiết bị rất quan trọng, giá thành cao, cách điện của các thiết
bị này lại rất yếu. Vì vậy bảo vệ của quá điện áp do sét đánh từ đờng dây truyền vào trạm
có yêu cầu rất cao.
Để bảo vệ chống sóng truyền vào trạm ngời ta dùng chống sét ống, chống sét van
tăng cờng bảo vệ cho đoạn đờng dây gần trạm hoặc sử dụng đờng dây cáp, tụ điện, kháng
điện .. .
Để đảm bảo điều kiện làm việc bình thờng của chống sét van ta cần hạn chế dòng
qua chống sét van không quá 5 đến 10 KA, dòng điện sét quá lơn sẽ gây nên điện áp d
quá cao, ảnh hởng tới cách điện trong nội bộ trạm và có thể làm hỏng chống sét van.
Trên cơ sở cấu trúc trạm xác định các chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm,
đây là những số liệu quan trọng nó cho phép đánh giá mức độ an toàn với sóng quá điện
áp của trạm. Do tham số của sóng từ đờng dây truyền vào trạm rất khác nhau ( phụ thuộc
vào tham số của dòng điện sét, vào kết cấu của đờng dây, vị trí sét đánh . . . ). Do đó việc
tính toán quá điện áp trong trạm không phải với một hay vài sóng nhất định mà phải tính
với nhiều tham số khác nhau. Dựa vào đó tìm ra tham số tới hạn nguy hiểm của sóng sét
truyền vào trạm, vợt quá trị số này sẽ xảy ra phóng điện ở ít nhất một thiết bị nào đó
trong trạm.

NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
98
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Trong tính toán thiết kế tốt nghiệp do hạn chế thời gian thờng cho phép xác định
quá điện áp xuất hiện trên cách điện của các thiết bị theo một hoặc vài sóng truyền vào
trạm cho trớc. So sánh quá điện áp này với đặc tính phóng điện của thiết bị tơng ứng để
đánh giá khả năng phóng điện. Coi rằng trạm an toàn nếu tất cả các đờng điện áp xuất
hiện trên cách điện đều nằm dới đặc tính V-S của chúng.
Do trạm đợc bảo vệ với mức an toàn cao nên khi xét độ bền cách điện của các thiết
bị không kể đến hiệu ứng tích luỹ và đặc tính cách điện đợc lấy với điện áp xung kích.
Thờng sóng quá điện áp xuất hiện trên cách điện có độ dài sóng lớn : biên độ bằng điện
áp d trên chống sét xếp chồng với một điện áp nhảy vọt hoặc dao động. Vì thế phải lấy
điện áp thí nghiệm phóng điện xung kích với sóng cắt và toàn sóng so sánh với toàn bộ đ-
ờng cong sóng quá điện áp.
II) Lý thuyết tính điện áp trên cách điện khi có sóng truyền:
1) Khái niệm :
Việc tính toán quá điện áp do sóng truyền vào trạm có thể đợc thực hiện trên các mô hình
hoặc tính toán trực tiếp. Dùng phơng pháp mô hình có thể cho phép xác định đờng cong
tính toán nguy hiểm cho bất kỳ một trạm có kết cấu phức tạp. Nó cho phép giả thiết vấn
đề một cách chính xác và nhanh chóng. Phơng pháp tính toán trực tiếp phức tạp là lập sơ
đồ thay thế và dựa trên quy tắc sóng đẳng trị, phơng pháp lập bảng của các sóng tới để
lần lợt tính toán trị số điện áp tại các nút chính.
Ta biết rằng quá trình truyền sóng sẽ hoàn toàn xác định đợc nết ta xác định đợc sự
biến dạng của sóng khi truyền trên đờng dây, xác định đợc sóng phản xạ và khúc xạ khi
truyền tới các nút.
Do sóng truyền trong trạm trên những khoảng cách không lớn giữa các nút nên ta
có thể coi quá trình truyền sóng là không biến dạng. Sóng đợc truyền đi với tốc độ không
đổi v trên đờng dây nên nếu có một sóng từ nút m nào đó tới nút x, tại nút m sóng có
dạng U
mx

(t) thì khi tới x sóng sẽ có dạng
U

mx
(t) = U
mx
(t - t) với t =
v
1
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
99
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
U
mx
v
U
mx
l
Hình 4 - 1
Từ đó ta thấy rằng nếu dùng phơng pháp lập bảng các giá trị của sóng phản xạ tại
nút m đợc ghi trong một cột thì cột giá trị sóng đó tới nút x giống nh cột sóng phản xạ
hồi tại nút m và chỉ lùi một khoảng thời gian.
Việc xác định song phản xạ và khúc xạ tại một nút dễ dàng giải đợc nhờ quy tắc
sóng Peterson và nguyên lý sóng đẳng trị.
Theo quy tắc Peterson một sóng truyền trên đờng dây có tổng trở sóng Z đến một tổng
trở tập chung Z
x
U
t
Z x

Zx
2U
t
Z
x
Zx
Ux
Hình 4 - 2
Với sơ đồ này, sóng khúc xạ U
X
đợc tính nh điện áp trên phần tử Z
X
còn sóng phản
xạ đợc tính theo công thức :
U
xm
= U
x
U
t
( 4.1 ) với U
t
là sóng tới nút x
+ Nếu Z và Z
x
là các thông số tuyến tính, U
t
là hàm thời gian có ảnh phức tạp hoặc
toán tử thì có thể tìm U
x

bằng phơng pháp toán tử.
+ Nếu Z
x
là điện dung tập chung và U
t
có dạng đờng cong bất kỳ U
x
đợc xác định
bằng một trong những phơng pháp giải gần đúng, ví dụ nh phơng pháp tiếp tuyến.
+ Z
x
là phi tuyến ( chẳng hạn nh tổng trở của chống sét van ) thì phải xác định U
x
bằng phơng pháp đồ thị.
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
100
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Trờng hợp nút x có nhiều đờng dây đi tới thì có thể lập sơ đồ Peterson bằng cách áp dụng
quy tắc sóng đẳng trị. ở đây sơ đồ tơng đơng vẫn giống nh khi chỉ có một đờng dây chỉ
khác trị số nguồn phải lấy là 2U
đt
và tổng trở sóng phải lấy là Z
đt
với 2U
đt
và Z
đt
xác định
theo các công thức sau :
2U

đt
=

=
n
m
mxmx
tU
1
)('.

( 4.2 )
Trong đó :
U
mx
(t) : sóng tới x từ nút m ( ở đây phải tính trị số của sóng khi đã tới x )

mx
: hệ số khúc xạ

mx
=
mx
dt
Z
Z.2
( 4.3 )
Z
mx
: tổng trở sóng của đờng dây nối nút m và nút x

Z
đt
=
=

=
n
m
mx
Z
1
1
1
Z
1x
// Z
2x
// Z
3x
. . Z
nx
( 4.4 )
Sóng khúc xạ U
x
cũng đợc tính bằng các phơng pháp nh đối với trờng hợp có một
đờng dây theo tính chất của Z
x
.
2
1

n
m
Zx
x
Hình 4 - 3
2) Xác định điện áp tại điểm nút bằng phơng pháp đồ thị :
Nếu nh điểm nút có ghép điện cảm, điện dung hoặc phần tử phi tuyến và sóng
tới có dạng bất kỳ thì việc xác định điện áp điểm nút bằng phơng pháp toán học th-
ờng rất phức tạp. Trong các trờng hợp này ngời ta dùng phơng pháp đồ thị.
a. Tác dụng của sóng bất kỳ lên điện CSV đặt ở cuối đờng dây :
-Đối với chống sét van không có khe hở:
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
101
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Giả thiết sóng tới U
t
(t) truyền theo đờng dây có tổng trở sóng Z tác dụng lên CSV có đặc
tính V A : U
CSV
= f(i
CSV
) nh hình vẽ :
U
I
V - A
Hình 4 - 4
U
csv
=f(i
csv

)
2Ut
Z
U
csv
=f(i
csv
)
Hình 4 - 5
Ta có phơng trình :2.U
t
(t) = U
csv
+ i
csv
. Z
Để xác định điện áp ta dùng phơng pháp đồ thị biểu diễn nh hình vẽ :
a b
cd
i
U
t
2Ut(t)
U
R
= f(t)
U
R
+ i
R

.Z
i
R
.Z
U
R
=f(i
R
)
i
R
= f(t)
I
i
I
Hình 4 - 6
NGUYễN Tiến dũng lớp HTĐ - khóa 1 trạm hảI dơng
102