Đồ án Hệ thống điện Tran hoang giang

Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

PHẦN I
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢO VỆ CHỐNG SÉT
CHO TRẠM BIẾN ÁP 220KV/110KV

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 1


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

CHƢƠNG I
HIỆN TƢỢNG DÔNG SÉT VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA NÓ
ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Hiện tƣợng dông sét
a, Kiến thức phổ thông về dông sét
Dông là hiện tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy ra. Cơn dông được hình
thành khi có khối không khí nóng ẩm chuyển động thăng. Cơn dông có thể kéo dài từ 30
phút đến 12 tiếng và có thể trải rộng từ vài chục đến hàng trăm km
Sét là một hiện tượng phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực rất lớn
(trung bình khoảng 5km). Quá trình phóng điện của sét giống như quá trình xảy ra trong
trường không đồng nhất.
b, Quá trình hình thành sét
Các quá trình khí quyển sẽ tạo nên các đám mây mang điện tích:
Các điện tích âm (-) tập trung thành từng nhóm, các điện tích dương (+) rải đều

trong đám mây. Quá trình phóng điện từ điện tích (+) sang điện tích (-) tạo nên hiện
tượng trung hòa về điện. Các điện tích (-) còn lại phát triển về phía mặt đất và hình thành
tia tiên đạo (dòng plasma có điện dẫn lớn).
Càng phát triển về phía mặt đất trường đầu dòng càng tăng làm ion hóa mãnh liệt
môi trường xung quanh nó tạo nên thác điện tử chứa nhiều điện tích. Càng gần mặt đất số
điện tích càng lớn tạo nên dòng ngược phát triển về phía đám mây, ngược phát triển đến
đám mây sẽ hoàn thành một phóng điện sét.
Tốc độ dòng sét xuôi từ đám mây đến mặt đất:
Vx = 1,5.107 ÷ 2.108 cm/s
Tốc độ dòng sét ngược từ mặt đất đến đám mây:
Vng = 1,5 . 109 ÷ 2.1010 cm/s

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 2


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Tia tiên đạo

Hình thành khu

Địa điểm phụ thuộc

vực ion hóa mãnh liệt

điện trở suất

Hoàn thành

Dòng của phóng

phóng điện sét

điện ngươc

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét
Giá trị dòng điện sét:

Is = б.Vng

б là mật độ điện tích tia tiên đạo
Vng là vận tốc dòng ngược
c, Diễn biến dông sét ở nước ta
Ở đồng bằng dông thường xảy ra trong nội bộ không khí chiếm 25% số dông
trong toàn năm. Dông trong các trường hợp xâm nhập cực đới cũng đạt tới 22%, dông
trong các dãy hội tụ nhiệt đới và rãnh thấp liên quan luồng gió từ phía tây và phía nam có
tỷ lệ tương đương, khoảng 20% còn một số trường hợp xảy ra giông khác là do bão đẩy
lên hoặc ở ngoại vi các cơn bão chiếm tỷ lệ lớn nhất.
- Diễn biến dông sét ở miền Bắc nước ta:
Xét trên toàn năm, số ngày dông trên miền Bắc nước ta thường dao động khoảng
70 - 100 ngày và số lần dông từ 150 đến 300 lần. Như vậy có thể xảy ra 2 - 3 cơn dông.
Vùng nhiều dông nhất trên miền Bắc là vùng Tiên Yên - Móng Cái. Tại đây hàng năm có
từ 250 - 300 lần dông tập chung trong khoảng từ 100 đến 110 ngày. Tháng nhiều dông
nhất là tháng 7 và tháng 8 có tới 25 ngày dông.

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 3


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Xét về diễn biến dông trong một năm ta có thể nhận thấy mùa dông không hoàn
toàn đồng nhất giữa các vùng. Nhìn chung ở Bắc Bộ mùa dông tập trung trong khoảng từ
tháng 6 đến tháng 9, ở phần phía Tây Bắc Bộ và Trung Bộ mùa dông tương đối sớm vào
đầu tháng 4. Quá trình diễn biến của dông thường có một cực đại xê dịch trong khoảng từ
tháng 6 ở Tây Bắc, sau tháng 7, 8 ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ và tách thành 2 cực, tháng
5 và tháng 9 ở Hà Tĩnh và Quảng Bình.
-Diễn biến dông sét ở miền Nam nước ta:
Ở miền Nam cũng có khá nhiều dông, hàng năm trung bình quan sát được 40
-50 và có khi lên đến 100 ngày tùy từng nơi, khu vực nhiều dông nhất là đồng
bằng Nam Bộ, số ngày dông trung bình hằng năm lên tới 120 - 140 ngày (Sài Gòn: 138
ngày, Hà Tiên: 129 ngày). Những giá trị này chẳng những cao hơn các khu vực khác ở
miền Nam mà cũng còn lớn hơn rõ rệt so với các vùng trên miền Bắc, ở Bắc Bộ chỉ
khoảng trên dưới 100 ngày.
Vùng Duyên Hải Trung Bộ ít dông vào khoảng 60- 70 ngày ở phần phía Bắc từ
Quảng Trị đến Quảng Ngãi (Đà Nẵng: 70 ngày, Quảng Ngãi: 59 ngày) giảm xuống từ 40
đến 50 ngày ở phần phía Nam từ Bình Định trở vào đến cực Nam Trung Bộ (Quy Nhơn:
46 ngày, Nha Trang: 49 ngày, Phan Thiết: 59 ngày). Sự giảm số dông ở Duyên Hải Nam
Trung Bộ cũng dễ giải thích bằng tính chất khô nóng của gió mùa hạ sau khi vượt qua
dãy Trường Sơn.
Tây Nguyên cũng ít dông hơn nhiều so với Nam Bộ: tùy nơi số ngày dông hàng
năm vào khoảng 50 - 60 ngày (Plây cu: 91 ngày, Blao: 70 ngày).
Mùa dông nói chung là trùng với mùa hạ, là thời kì thịnh hành những khối không khí

nhiệt đới xích đạo có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn, lại có những nguyên nhân nhiệt động lực
thuận lợi cho việc phát triển dông (có sự hoạt động thường xuyên của dải hội tụ nội chí
tuyến, mặt đất được hun nóng mạnh). Trong mùa đông ở Nam Bộ và Tây Nguyên thỉnh
thoảng cũng xuất hiện dông nhưng số ngày dông ít hơn hẳn không so sánh được với tháng
mùa hạ.

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 4


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Ở Nam Bộ mùa dông bắt đầu vào tháng 4 và kết thúc vào tháng 11, riêng khu vực
cực tây (Hà Tiên, Rạch Giá), mùa dông bắt đầu sớm hơn vào tháng 3. Trên Tây Nguyên
mùa dông bắt đầu sớm hơn Nam Bộ 1 tháng từ tháng 3 và cũng kết thúc sớm hơn 1 tháng
vào tháng 10. Đáng chú ý nhất là tất cả các vùng trong quá trình mùa dông đều phân biệt
được hai cực đại. Cực đại chính xảy ra vào tháng 5 và cực đại phụ xảy ra vào cuối tháng
9 trên phần lớn các vùng và vào tháng 8 ở phía bắc Duyên Hải Trung Bộ. Đó là thời kì
mà dải hội tụ nội chí tuyến đi ngang qua các vĩ độ miền Nam trong quá trình tiến lên phía
bắc và rút lui về xích đạo. Trong các tháng giữa mùa, số ngày dông giảm đi rõ rệt. Nam
Bộ là khu vực nhiều dông, chỉ trừ tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 6)
có số ngày dông bình thường 10 ngày mỗi tháng, còn suốt trong 6 tháng từ tháng 5 đến
tháng 10 mỗi tháng đều quan sát được từ 15 đến 20 ngày dông, tháng cực đại (tháng 5)
trung bình gặp 20 ngày dông.
Khu vực Tây Nguyên, trong mùa dông thường chỉ có 2, 3 tháng số ngày dông đạt
tới 10 đến 15 ngày, đó là tháng 4, tháng 5 và tháng 9. Tháng cực đại (tháng 5) trung bình
quan sát được 15 ngày dông ở bắc Tây Nguyên và 10 đến 12 ngày ở nam Tây Nguyên.

Còn các tháng khác trong mùa đông mỗi tháng chỉ gặp trung bình từ 5 đến 7 ngày dông.
Như vậy ta thấy Việt Nam là nước chịu nhiều ảnh hưởng của dông sét, đây là điều bất lợi
cho sự phát triển kinh tế của đất nước nói chung và bất lợi cho các công tác quản lý, vận
hành hệ thông điện ở Việt Nam nói riêng, điều đó đòi hỏi ngành điện cần đầu tư nhiều
cho hệ thống chống sét các công trình điện, cũng như nhà thiết kế công trình điện cần
tính toán sao cho hệ thống vận hành vừa đảm bảo an toàn, vừa đảm bảo về mặt kinh tế.
1.2.Ảnh hƣởng của dông sét đến hệ thống điện
Kết quả đo lường cho thấy biên độ dòng điện sét có thể lên tới hàng trăm kA, đây
là nguồn sinh nhiệt vô cùng lớn khi dòng điện sét đi qua vật nào đó. Thực tế đã có rất
nhiều dây tiếp địa do phần nối đất không tốt, khi bị dòng điện sét tác dụng đã bị nóng
chảy và đứt thậm chí đã có những cách điện bằng sứ bị dòng điện sét tác dụng đã bị vỡ và
chảy. Phóng điện sét có kèm theo việc di chuyển theo không gian lượng điện tích lớn đã

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 5


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

tạo ra điện trường rất mạnh làm nhiễu loạn vô tuyến và các thiết bị điện tử, ảnh hưởng
của nó rất lớn ngay cả những nơi cách xa hàng trăm km.
Khi sét đánh thẳng vào đường dây hoặc xuống mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra
sóng điện từ truyền dọc theo đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của
đường dây. Khi cách điện bị phá hủy gây ra ngắn mạch pha - đất hoặc ngắn mạch pha pha buộc các thiết bị bảo vệ Rơ le ở 2 đầu đường dây phải hoạt động. Với những đường
dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định cho hệ thống, nếu
các hệ thống tự động ở các nhà máy làm việc không kịp thời sẽ gây ra tình trạng tan rã
lưới. Sóng sét có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc đánh thẳng vào trạm

biến áp đều gây phóng điện trên cách điện trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm như khi
ngắn mạch trên thanh góp và rất dễ dẫn tới sự cố trầm trọng. Mặt khác, khi có sóng sét
vào trạm biến áp, nếu chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì
cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn.
Từ những hậu quả do việc sét đánh gây ra ta thấy rõ tác dụng của việc tính toán
thiết kế lắp đặt các thiết bị chống sét, nếu tính toán chính xác lắp đặt đủ các thiết bị chống
sét sẽ tạo ra hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả, tránh được những hậu quả xấu do sét
gây ra, từ đó đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ.

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 6


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

CHƢƠNG II
BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
2.1 Khái niệm và yêu cầu chung đối với bảo vệ chống sét đƣờng dây
Đường dây tải điện là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, thường xuyên bị sét
đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển. Quá điện áp có thể do sét đánh trực
tiếp vào đường dây hoặc do sét đánh xuống mặt đất gần khu vực có đường dây đi qua
và gây cảm ứng lên đường dây. Quá điện áp có thể dẫn đến cắt máy cắt đường dây,
làm ảnh hưởng đến sự cung cấp điện của toàn hệ thống và đến sự an toàn của các thiết
bị trong trạm nhất là máy biến áp. Nước ta là nước nhiệt đới gió mùa nên vào mùa
mưa xác suất sét đánh vào đường dây rất cao nên việc tính toán bảo vệ chống sét cho
đường dây là một khâu rất quan trọng, phải đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật. Khi tính
toán bảo vệ chống sét đường dây phải kết hợp chặt chẽ với bảo vệ chống sét cho trạm,

đặc biệt là đoạn đường dây gần trạm phải được bảo vệ cẩn thận, vì khi sét đánh vào
khoảng này sẽ đưa vào trạm các quá điện áp với thông số lớn gây nguy hiểm tới các
thiết bị của trạm.
Do trị số quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đường
dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển vì khi đó vốn đầu tư
vào đường dây là quá lớn. Vì vậy việc bảo vệ chống sét cho đường dây đến mức an
toàn tuyệt đối không thể thực hiện được mà chỉ hạn chế sự cố đến mức thấp nhất, đảm
bảo mức độ hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật.
Để đánh giá khả năng chịu sét của những đường dây khác nhau người ta dung đại
lượng suất cắt đường dây.
2.2 Lý thuyết tính toán
2.2.1 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét
Để bảo vệ cho các đường dây tải điện người ta dùng dây chống sét thay cho các
cột thu sét do đường dây trải dài trên một diện tích khá rộng lớn. Nó được treo phía
trên các dây pha, có đường kính nhỏ hơn các dây pha và được nối đất ở từng cột. Các
dây chống sét treo cao trên đường dây tải điện sao cho các dây pha nằm trong phạm vi
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 7


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

bảo vệ của dây chống sét. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét là một vùng dọc theo chiều
dài đường dây, có mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét được xắc
định tương tự như cột thu sét
a. Phạm vi bảo vệ của 1 dây chống sét

Hình 2.1 Phạm vi ảo vệ của 1 dây chống sét
Xét dây chống sét ở độ cao h, độ cao bảo vệ hx.
Chiều rộng của phạm vi bảo vệ cho độ cao hx, là 2bx, bx được xác định như sau:
2
3




hx 
0,8h 

2
3




hx 
h 

Nếu h  h0 thì bx  1, 2h 1 
Nếu h  h0 thì bx  0, 6h 1 

b. Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét

Hình 2.2 Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét ở cùng 1 độ cao
Xét hệ 2 dây chống sét có độ cao h, đặt cách nhau 1 khoảng O1O2 = a.
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 8


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

4h thì mọi vật nằm trên mặt đất ở khoảng giữa 2 dây chống sét sẽ được bảo vệ

Khi a
an toàn .

Khoảng giữa hai dây chống sét bảo vệ được cho độ cao lớn nhất h0  h 

a
4

Phạm vi bảo vệ
+ Phần nằm giữa 2 dây chống sét bảo vệ cho độ cao lớn nhất h0
+ Phần ngoài khoảng giữa 2 dây chống sét là phạm vi bảo vệ cuae từng dây
chống sét độc lập
2.2.2. Tính toán chung về chỉ tiêu chống sét
2.2.2.1. Góc bảo vệ của dây chống sét
Đối với đường dây tải điện
hdd 

2
hcs
3

Phạm vi bảo vệ của dây thu sét được tính
theo công thức
 h 
bx  0, 6hcs 1  dd 
 hcs 

Trong đó:
hdd : là chiều cao treo dây dẫn

Hình 2.3 Góc bảo vệ của dây thu sét

hcs : là chiều cao treo dây chống sét

bx : là phạm vi bảo vệ một bên của dây thu sét

Từ đó ta tính được góc bảo vệ giới hạn của dây thu sét
tg gh 

0, 6.hcs .  hcs  hdd 
bx

 0, 6
hcs  hdd
hcs .  hcs  hdd 

  gh  310

Vậy khi góc bảo vệ    gh thì đường dây được bảo vệ hoàn toàn
Coi mật độ sét là đều trên toàn bộ diện tích vùng có đường dây đi qua, có thể tính
số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây trong một năm là:

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 9


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Trong đó
ms : mật độ sét sét vùng có đường dây đi qua lấy
ms = (0,1 0,5) ( lần/km2.ngàysét)
ns : số ngày sét trong một năm
h: chiều cao trung bình của các dây dẫn
L: chiều dài của đường dây
Lấy L = 100 km ta sẽ có số lần sét đánh vào 100km dọc chiều dài đường dây
trong 1 năm
N   0,1  0,5 .nngs .h.6.100.103   0,06  0,09  .nngs .h

Tùy theo vị trí sét đánhquá điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị số
khác nhau. Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp vào đường dây có dây chống sét
thành 3 khả năng:
- Sét đánh vào đỉnh cột :
N dc 

N
2

- Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Ndd  N .V

Với N : tổng số lần sét đánh vào đường dây
: xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn, nó phụ thuộc vào
góc bảo vệ α và được xác định theo công thức sau:
logV 

a. hc
90

4

Trong đó: hc : chiều cao của cột (m).
α : góc bảo vệ (độ).
- Sét đánh vào điểm giữa khoảng vượt:
N kv  N  N dc  N dd 

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

N
2

Trang 10


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

2.2.2.3 Số lần phóng điện khi sét đánh vào đƣờng dây
Khi bị sét đánh, quá điện áp tác dụng vào cách điện của đường dây (sứ và

khoảng cách không khí giữa dây dẫn và dây chống sét) có thể gây ra phóng điện. Khả
năng phóng điện được đặc trưng bởi xác suất phóng điện Vpđ. Như thế ứng với số lần
sét đánh Ni thì số lần phóng điện sẽ là:
Npdi = Ni.Vpđ
Xác suất phóng điện Vpđ phụ thuộc trị số quá điện áp và đặc tính cách điện (V-S)
của đường dây.
dd
Vpd  P U pd  U pd


Với Upd : trị số điện áp giáng trên cách điện.
: mức xung kích của đường dây
2.2.2.4 Số lần cắt điện khi sét đánh vào đƣờng dây
Khi có phóng điện trên cách điện của đường dây, máy cắt có thể bị cắt ra nếu có
xuất hiện hồ quang tần số công nghiệp tại nơi phóng điện. Xác suất hình thành hồ
quang  phụ thuộc vào cường độ điện trường phân bố dọc theo đường phóng điện. Có
thể xác định  theo bảng sau:
(

Bảng 2.1 xác xuất hình thành hồ quang

).

50

30

20

10

0,6

0,45

0,25

0,1

Với Elv : cường độ điện trường dọc theo đường phóng điện, (kV/m).
Ulv: điện áp pha làm việc (kV).
Lpđ: chiều dài đường phóng điện (chiều dài chuỗi sứ) (m).
Vậy ta có thể tính số lần cắt điện của đường dây tương ứng với số lần sét đánh Ni là:
ncdi  N pdi .  Ni .Vpd .

Số lần cắt điện của đường dây là
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 11


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

ncd  ncdi

2.2.2.5 Số lần cắt điện do quá điện áp cảm ứng
Số lần phóng điện do sét đánh gần đường dây cảm ứng gây phóng điện trên cách
điện đường dây được tính như sau:

15, 6  23, 4  .ns .h U260


.e

50%

N pdcu

U 50%

Trong đó: ns:số ngày sét trong một năm.
h: độ treo cao trung bình của dây dẫn.
U50%: mức các điện xung kích của chuỗi sứ.
Như vậy số lần đường dây bị cắt điện do quá điện áp cảm ứng:
ncdcu  N pdcu .

2.3 Tính toán bảo vệ chống sét cho đƣờng dây 220kV
2.3.1 Các tham số tính toán
- Đường dây dùng cột thép, có chiều cao cột hc = 25 m.
- Độ treo cao của dây dẫn các pha: hdd(A) = 17 m; hdd(B) = hdd(C) = 12 m.
- Độ treo cao của dây chống sét: hcs = 25 m.

Hình 2.4 Kết cấu cột 220 kV
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 12


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

a. Các thông số cơ bản
Chiều dài chuỗi sứ là lsứ, chuỗi sứ có 12 bát, độ dài mỗi bát: l = 17cm, dùng sứ
loại π -4,5 nên: lsứ = n.l = 12.17 = 204cm.
- Dây chống sét là dây thép C- 70: d = 11mm; r = 5,5mm.
- Dây dẫn là dây nhôm lõi thép ACSR-500/64: d = 30,6 mm; r = 15,3mm
- Với cấp 220kV, hệ số điều chỉnh vầng quang :   1, 4
- Khoảng vượt của đường dây 220kV : l = 300m.
- Độ võng dây chống sét: fcs = 4m.
- Độ võng dây dẫn: fdd = 4,5m.
b. Các số liệu tính toán
- Độ treo cao trung bình của dây
+ Độ treo cao trung bình của dây chống sét
hcstb   hcs 

2
f cs
3

2
hcs  25  .4  22,33m
3

+ Độ treo cao trung bình dây dẫn pha A
hddAtb   hddA 

2
f dd

3

2
hddA tb   17  .4,5  14m
3

+ Độ treo cao trung bình của dây dẫn pha B, C
2
hddBtb   hddctb   12  .4,5  9m
3

- Tổng trở sóng của dây dẫn: Z dd  138log

2hdd
Ω
rdd

Trog đó
hdd : là chiều cao của dây dẫn với mặt đất
rdd : là bán kính của dây dẫn
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 13


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

+ Tổng trở dây dẫn pha A

Z ddA  138log

2.14
 450, 220 Ω
15,3.103

+ Tổng trở dây dẫn pha B,C
Z ddB  Z ddC  138log

2.9
 423, 740 Ω
15,3.103

- Tổng trở sóng của dây chống sét
+ Khi không có vầng quang
Zcs  138log

2.22,33
 539,519 Ω
5,5.103

+ Khi có vầng quang : do ảnh hưởng của vầng quang điện nên điện dung tăng lên, do đó
tổng trở giảm đi
Zcsvq 

Zcs





539,519
 385,370
1, 4

- Góc bảo vệ:
+ Góc bảo vệ pha A:  A  arctg

2
 14, 0360
25  17

+ Góc bảo vệ pha B, C:  B  C  arctg

3
 12,9950
25  12

- Hệ số ngẫu hợp giữa dây chống sét và dây dẫn
Hệ số ngẫu hợp giữa dây chống sét và dây dẫn được tính theo công thức
K

Z 21
Z 22

Trong đó :
+ Z21 : Tổng trở sóng tương hỗ giữa dây chống sét và dây dẫn được tính theo công thức
Z21 = 138log

b21

d 21

Trong đó
+ b21: là khoảng cách giữa dây dẫn đến hình chiếu qua mặt đất của dây chống sét
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 14


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

+ d21: là khoảng cách giữa dây dẫn và dây chống sét
Z22 : tổng trở sóng của dây chống sét được tính theo công thức
Z22 = 138log

2h2
r2

Trong đó
+ h2, r2 : chiều cao trung bình và bán kính của dây chống sét

Hình 2.5 Khoảng cách giữa dây chống sét và ảnh của nó với dây dẫn
Tính hệ số ngẫu hợp của pha A với dây chống sét
Ta có : hddA tb  14m; LxaA  2m
b21  22   22,33  14   36,39 m
2

d21  22   22,33  14   8,57m

2

Z21 = 86,664 Ω
Hệ số ngẫu hợp của pha A khi chưa xét đến ảnh hưởng của vầng quang là
KA 

88, 644
 0,197
450, 220

+ Khi có ảnh hưởng của vầng quang hệ số pha
KvqA  K A .  0,197.1, 4  0, 276

- Tính hệ số ngẫu hợp của pha B, C với dây chống sét
Ta có : hddB tb  hddC tb  9m; LxaA  3m
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 15


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

b21  32   22,33  9  = 31,47m
2

d21  32   22,33  9  = 13,66 m
2

Z21 = 50,018 Ω
Hệ số ngẫu hợp của pha A khi chưa xét đến ảnh hưởng của vầng quang là
K B  KC 

50, 018
 0,118
423, 720

+ Khi có ảnh hưởng của vầng quang hệ số pha
KvqB  KvqC  K B .  0,118.1, 4  0,165

2.3.2 Xác định tổng số lần sét đánh vào đƣờng dây hằng năm
Với nng.s = 100 ngày/năm và hcs(tb) = 20,333 m. Ta có tổng số lần sét đánh
vào đường dây trên 100km chiều dài trong 1 năm là:

N = (0,06 0,09).h.nngs
= (0,06 0,09).20,333.100
= 133,988 200,997 (lần/100km.năm)
Ta chọn khả năng nguy hiểm nhất là vùng xảy ra nhiều sét để tính. Ta lấy giá trị
N = 272,997 lần/100km.năm là tổng số lần sét đánh vào đường dây.
Có: N = Ndd + Nđc + Nkv
Trong đó:
Ndd : Số lần sét đánh vào dây dẫn.
Nđc : Số lần sét đánh vào đỉnh cột.
Nkv : Số lần sét đánh vào khoảng vượt.
- Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn.
Dây dẫn pha A có góc bảo vệ lớn nhất nên khả năng bị sét đánh vào là lớn nhất,
ta chọn pha A để tính toán
Ta có: αA = 14,036o và hc = 25m.
Vậy ta có

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 16


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

logV 

 A . hc

4 

90

14, 036. 25
 4  3, 220
90

 V  6,026.104

Nên Ndd = N. V = 200,997.6,026.10-4 = 0,121 ( lần/100km.năm)
- Số lần sét đánh vào khoảng vượt và đỉnh cột
N 200,997

 100, 499 (lần/km.năm)
2
2

N dc  N kv 

2.3.3 Tính suất cắt đƣờng dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Dây chống sét

Dây dẫn

Hình 2.6. Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
Số lần cắt của đường dây được xác định theo công thức
ncd  dd   Ndd .Vpd .

Trong đó :
Vpd là xác xuất phóng điện được tính như sau :
 I bv

Vpđ = 10 60
U50% = 1140 kV là trị số xung kích điện áp bé nhất của chuỗi cách diện
Ibv là dòng điện bảo vệ được tính theo công thức
Ibv =

U 50%
= 11,4 (kA)
100
 I bv

Xác xuất phóng điện : Vpđ = 10 60 = 0,6456
(

xác xuất hình thành

Elv 

) hồ quang xác định như sau

U lv
l pd

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 17


Đồ Án Tốt Nghiệp

Với U lv 

U dm
3



Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

220
 127,017 (kV)
3

lpđ chiều dài phóng điện lấy bằng chiều dài chuỗi sứ lpđ = lcs =2,04 m
Elv =

U lv 127, 017

62,263(kV/m)
l pd
2, 04

(

Từ bảng 2.1 ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ

Hình 2.7 Đồ thị mối quan hệ

(

Từ đồ thị ứng với Elv = 62,263 kV/m dóng lên ta được

) như sau:

)
= 0,72

Vậy số lần cắt của đường dây trong một năm là
ncđ  dd   0,121.0,646.0,72  0,056 (lần.năm/100km)

2.3.4 Tính suất cắt đƣờng dây khi sét đánh vào khoảng vƣợt
Khi sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt, để đơn giản ta giả thiết rằng
sét đánh vào chính giữa của khoảng vượt và dòng điện sét được chia về hai phía như
trên hình vẽ:

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 18


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Dây chống sét

Đường dây

Hình 2.8 Hình vẽ sét đánh vào khoảng vượt
Lấy với dạng sóng góc xiên. Lúc này trên dây chống sét và mỗi cột sẽ có dòng điện
là

Is
2

Hình 2.9 Dạng sóng tính toán của dòng điện sét
Ta có phương trình của dòng điện sét dạng xiên góc
is  at khi t   ds

 is  I khi t   ds

Ta sẽ tính toán cho các giá trị
+ Độ dốc đầu sóng: a = 10, 20,30,40,50,60,70,80,90,100 ( kA/
+ Tại các thời điểm: t = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 (

)

)

Suất cắt đánh vào khoảng vượt được tính theo công thức
ncd  kv   Nkv .Vpd . (lần/100km.năm)
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 19


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Trong đó: - Nkv : số lần sét đánh vào khoảng vượt, Nkv = 100,499
-

η : xác suất hình thành hồ quang, η = 0,72

-

Vpd: xác suất phóng điện.

Khi đường dây tải điện bị sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét thì sẽ sinh
ra các điện áp là:
Điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn và dây chống sét.
Điện áp tác dụng lên cách điện của chuỗi sứ.
Nếu các điện áp này đủ lớn thì sẽ gây ra phóng điện sét trên cách điện làm
cắt điện trên đường dây.
* Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên cách điện không khí giữa dây dẫn

và dây chống sét (ta xét với pha B hoặc C vì hệ số ngẫu hợp của 2 pha này nhỏ hơn
của pha A).
U cd  1  Kvq  .

a.l
 kV 
3

Với Kvq: hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang
a: độ dốc dòng điện sét.
l: khoảng vượt của đường dây
Trong thiết kế và thi công đường dây, thường chọn khoảng cách giữa các dây đủ
lớn để tránh khả năng xảy ra phóng điện trong trường hợp này ít xảy ra và dù có xảy ra
thì xác suất hình thành hồ quang cũng rất nhỏ. Vì vậy suất cắt trong trường hợp này có
thể bỏ qua.
* Suất cắt điện do quá điện áp tác dụng lên chuỗi sứ.
Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét là
U cd  t   U C  t   U lv

Trong đó Ulv là điện áp làm việc

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 20


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV


U lv 

2

2


0

2
.U .sin .t  .dt  0,52.U dm
3

Ulv = 0,52.220 = 114,4 ( kV)
Uc(t) : điện áp tại đỉnh cột
 R .i  t 
di 
Uc t    c s
 Lc . s  . 1  K 
2.dt 
 2

Với dạng sóng góc xiên xét với thời gian t <

thì is = at, vậy ta có :

a
 R .a.t
Uc t    c

 Lc .  . 1  K 
2
 2

Trong đó :
Rc: Điện trở nối đất của cột, Rc = 7, 10, 14 Ω
LC: Điện cảm thân cột.
L0 = 0,6 µH/m là điện cảm đơn vị của thân cột.
hc = 25 m là độ cao của cột.
Lc = L0.hc = 0,6.25 = 15 µH
Kvq: hệ số ngẫu hợp có kể đến ảnh hưởng của vầng quang dây pha với dây chống sét.
Ở đây ta có Kv q B  Kv qC  0,165  KvqA

0,276 nên ta chọn pha B(C) để tính toán. Kvq

= 0,165
Vậy ta có Ucđ(t) là
U cd  t  

a
1  0,165 .  Rt  13, 2   114, 4  kV 
2

U cd  t   0, 418a.  Rt  15  114, 4  kV 

Thay các giá trị của a và RC vào trong công thức trên ta được bảng số liệu tương ứng
Ta có bảng đặc tính V-S của chuỗi sứ sử dụng như sau

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 21


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Bảng 2.2 đặc tính V-S của chuỗi sứ
t( )
Upđ(kV)

1
1780

2
1620

3
1480

4
1360

5
1280

6
1180

7

1180

8
1180

9
1180

10
1180

Khi Rc = 10 ta có
U cd  t   0, 418a. 10t  15  114, 4  kV 

a
10
20
30
40
50
t
218,9 323,4 427,9 532,4 636,9
1
260,7 407,0 553,3 699,6 845,9
2
302,5 490,6 678,7 866,8 1054,9
3
344,3 574,2 804,1 1034,0 1263,9
4
386,1 657,8 929,5 1201,2 1472,9

5
427,9 741,4 1054,9 1368,4 1681,9
6
469,7 825,0 1180,3 1535,6 1890,9
7
511,5 908,6 1305,7 1702,8 2099,9
8
553,3 992,2 1431,1 1870,0 2308,9
9
10 595,1 1075,8 1556,5 2037,2 2517,9
Từ thông số của bảng trên ta vẽ được đồ thị sau

60

70

80

90

100

741,4
992,2
1243,0
1493,8
1744,6
1995,4
2246,2
2497,0

2747,8
2998,6

845,9
1138,5
1431,1
1723,7
2016,3
2308,9
2601,5
2894,1
3186,7
3479,3

950,4
1284,8
1619,2
1953,6
2288,0
2622,4
2956,8
3291,2
3625,6
3960,0

1054,9
1431,1
1807,3
2183,5
2559,7

2935,9
3312,1
3688,3
4064,5
4440,7

1159,4
1577,4
1995,4
2413,4
2831,4
3249,4
3667,4
4085,4
4503,4
4921,4

Ucd(kV)
5500
5000

100(kA/µs)

4500

90(kA/µs)

4000

80(kA/µs)

3500

70(kA/µs)

3000

60(kA/µs)

2500

50(kA/µs)

2000

40(kA/µs)

1500

30(kA/µs)

1000

20(kA/µs)

500

10(kA/µs)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 t(µs)

Hình 2.10 Đồ thị Ucđ (a,t) với Rc = 10Ω
Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 22


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Từ đồ thị trên ta xác định được các cặp thông số (ai, ti) là giao của đường cong
Ucđ(a,t) với đường đặc tính V-S. Dựa vào các thông số này ta xác định được đường cong
nguy hiểm I = f(a) từ đó xác định được miền nguy hiểm và xác xuất phóng điện Vpđ
Kết quả cho ở bảng sau :
a
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t 23,566 10,667 6,724 4,868 3,828 3,188 2,567 2,223 1,956 1,623
235,66 213,34 201,72 194,72 191,40 191,28 179,69 177,84 176,04 172,3
I
Từ các giá trị ở trên ta xác định được đường cong thông số nguy hiểm:
Ii(kA)

250
200
150
100
50
0

10

20

30

40

50

60

70

80

ai(kA/µs)
90 100

Hình 2.11 Đường cong nguy hiểm với Rc = 10Ω
Xác xuất phóng điện Vpđ là xác xuất mà cặp thông số (a,I) của phóng điện sét
thuộc miền nguy hiểm được tính như sau
Vpđ  P{(a, I )  miền nguy hiểm}
n

n

i 1

i 1

Vpđ  Vpđi   VIi .Vai 

 Ibv

 ai

VIi  10 60 ;Vai  e10,9
Vai  Vai  Vai 1  (e

 ai
10,9

e

 ai1
10,9

)

Ta có bảng kết quả như sau

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 23


Đồ Án Tốt Nghiệp

a (kA/ )
10
20
30

40
50
60
70
80
90
100

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

I (kA)
235,66
213,34
201,72
194,72
191,40
191,28
179,69
177,84
176,04
172,3

VIi (10-4)
1,181
2,782
4,345
5,684
6,457
6,486
10,120

10,864
11,641
13,438

Va (10-2)
39,954
15,964
6,378
2,548
1,018
0,407
0,163
0,065
0,026
0,010

(
)
23,991
9,585
3,830
1,530
0,611
0,244
0,098
0,039
0,016

(
)

28,339
26,665
16,641
8,698
3,947
1,584
0,988
0,424
0,181

n

Vậy xác xuất phóng điện : Vpd  Vp di  87, 467.10( 6)
i 1

Ta tính được suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt trong trường hợp Rc =10Ω là
ncđ(kv) = nkv.Vpđ. = 100,499.87,467.10-6.0,72 = 63,29.10-4 lần/100km.năm
Khi Rc = 7Ω ta có
U cd  t   0, 418a.  7t  15  114, 4  kV 

a
10
20
30
40
50
60
70
80
90

100
t
206,4 298,3 390,3 482,2 574,2 666,2 758,1 850,1 942,0 1034,0
1
235,6 356,8 478,1 599,3 720,5 841,7 962,9 1084,2 1205,4 1326,6
2
264,9 415,4 565,8 716,3 866,8 1017,3 1167,8 1318,2 1468,7 1619,2
3
294,1 473,9 653,6 833,4 1013,1 1192,8 1372,6 1552,3 1732,1 1911,8
4
323,4 532,4 741,4 950,4 1159,4 1368,4 1577,4 1786,4 1995,4 2204,4
5
352,7 590,9 829,2 1067,4 1305,7 1544,0 1782,2 2020,5 2258,7 2497,0
6
381,9 649,4 917,0 1184,5 1452,0 1719,5 1987,0 2254,6 2522,1 2789,6
7
411,2 708,0 1004,7 1301,5 1598,3 1895,1 2191,9 2488,6 2785,4 3082,2
8
440,4 766,5 1092,5 1418,6 1744,6 2070,6 2396,7 2722,7 3048,8 3374,8
9
10 469,7 825,0 1180,3 1535,6 1890,9 2246,2 2601,5 2956,8 3312,1 3667,4
Từ bảng số liệu trên kết hợp với đường đặc tính V-S của chuỗi sứ, ta vẽ được đồ thị sau:

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 24


Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết kế và tính toán BVCS cho TBA và ĐZ 220kV

Ucd(kV)
4000
100(kA/µs)

3500

90(kA/µs)
3000

80(kA/µs)
70(kA/µs)

2500

60(kA/µs)
2000

50(kA/µs)
40(kA/µs)

1500

30(kA/µs)
1000
20(kA/µs)
500

10(kA/µs)

0
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t(µs)

Hình 2.10 Đồ thị Ucđ (a,t) với Rc = 7Ω
Từ đồ thị trên ta xác định được các cặp thông số (ai, ti) là giao của đường cong
Ucđ(a,t) với đường đặc tính V-S. Dựa vào các thông số này ta xác định được đường cong
nguy hiểm I = f(a) từ đó xác định được miền nguy hiểm và xác xuất phóng điện Vpđ
Kết quả cho ở bảng sau :
a

10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t 38,946 16,347 9,501 6,365 5,011 4,152 3,498 2,901 2,453 2,094
I 389,46 326,94 285,03 254,6 250,55 249,12 244,86 232,08 220,77 209,4
Từ các giá trị ở trên ta xác định được đường cong thông số nguy hiểm:

Sinh viên-Trần Hoàng Giang-Lớp Đ5H3

Trang 25