Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. http://www.ebook.edu.vn 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. . 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. 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. 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