Tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp 220110 kV

lt; m Nên (m) - Xét cặp cột 12, 22 ta có: h1= 24,5 m h2 = 16 m a = 32 m Hai cột này có chiều cao khác nhau và h2 < h1 nên ta có : a' = a = (m) Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: (m) Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: + Độ cao 11 m: hx = 11 m > m Nên (m) + Độ cao 8 m: hx =8 m = m Nên (m) - Xét cặp cột 16, 24 và cặp cột 21,29 ta có: h1= h2 = 16 m, a = 22,5 m Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: (m) Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: + Độ cao 11 m: hx = 11 m > m Nên (m) + Độ cao 8 m: hx = 8 m < m Nên (m) - Xét cặp cột 24, 25, cặp cột 27, 28 và cặp cột 28, 29 ta có: h1= h2 = 16 m, a = 20 m Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: (m) Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: + Độ cao 11 m: hx = 11 m > m Nên (m) + Độ cao 8 m: hx = 8 m < m Nên (m) - Xét cặp cột 25, 26 và cặp cột 26, 27 ta có: h1= h2 = 16 m, a = 30 m Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: (m) Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: + Độ cao 11 m: hx = 11 m > m Nên (m) + Độ cao 8 m: hx = 8 m > m Nên (m) - Xét cặp cột 21, 22 ta có: h1= h2 = 16 m, a = 16 m Độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: (m) Bán kính của khu vực bảo vệ giữa 2 cột thu sét là: + Độ cao 11 m: hx = 11 m > m Nên (m) + Độ cao 8 m: hx = 8 m < m Nên (m) Cuối cùng ta có bảng kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của từng cặp cột thu sét : Cặp cột h1 h2 a h0 r017 r011 r08 1,2 24,5 24,5 51 17,2 0,15 5,2 2,3 24,5 24,5 34 19,6 1,95 8,8 3,4 24,5 24,5 34 19,6 1,95 8,8 8,9 24,5 24,5 34 19,6 1,95 8,8 14,15 24,5 24,5 34 19,6 1,95 8,8 4,5 24,5 24,5 17 22 3,75 12,4 5,12 24,5 24,5 50 17,4 0,3 5,5 1,8 24,5 24,5 33 19,8 2,1 9 9,13 24,5 24,5 31,5 20 2,25 9,4 13,14 24,5 24,5 45 18 0,75 6,4 12,15 24,5 24,5 24 21 3 10,9 13,16 24,5 16 22,5 13,7 2 5,6 15,22 24,5 16 34,4 12 0,75 3 16,24 16 16 22,5 12,8 1,4 4,2 21,29 16 16 22,5 12,8 1,4 4,2 24,25 16 16 20 13 1,5 4,5 27,28 16 16 20 13 1,5 4,5 28,29 16 16 20 13 1,5 4,5 25,26 16 16 30 11,7 0,5 2,8 26,27 16 16 30 11,7 0,5 2,8 21,22 16 16 16 13,7 2 5,6 Vậy phương án 2 đặt 29 cột thu lôi trong đó có 15 cột cao 24,5 m (7 cột đặt trên xà cao 11 m và 8 cột đặt trên xà cao 17 m) và 14 cột cao 16 m (13 đặt trên xà cao 11m và 1 cột đặt trên xà cao 8 m). Tổng chiều dài: L2 = 7(24,5 - 11) + 8(24,5 - 17) + 14(16 - 11) + (16 - 8) = 232,5 m - ___ Phạm vi bảo vệ của cột chống sét ở độ cao 17 m. - ---- Phạm vi bảo vệ của cột chống sét ở độ cao 11 m. - Phạm vi bảo vệ của cột chống sét ở độ cao 8 m. Hình 3-7 Phạm vi bảo vệ của phương án 2 Kết luận: Phương án 1 dùng 20 cột, L1 = 198,5 m. Phương án 2 dùng 29 cột, L2 = 232,5 m. Từ việc tính toán và so sánh giữa 2 phương án ta thấy phương án 1 là phương án thoản mãn các yêu cầu về kinh tế kỹ thuật nên được dùng làm phương án trong cho thiết kế. Chương IV: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP 220/110 kV IV.1 Mở đầu: Tác dụng của hệ thống nối đất là để tản dòng điện và giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất. Trong hệ thống điện có ba loại nối đất khác nhau: Nối đất an toàn (bảo vệ): có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng. Thực hiện nối đất an toàn bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường không mang điện (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện... ) Nhưng khi cách điện bị hư hỏng, trên các bộ phận này xuất hiện điện thế, do đã được nối đất nên giữ được mức điện thế thấp ... do đó đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với chúng. Nối đất làm việc: nhiệm vụ của loại nối đất này là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc của một số bộ phận của thiết bị theo chế độ làm việc đã được quy định sẵn. Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và nối đất của điện kháng dùng trong bù ngang trên các đường dây tải điện đi xa của hệ thống điện. Nối đất chống sét: nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột chống sét trên đường dây) để giữ cho điện thế tại mọi điểm trên thân cột không quá lớn... do đó hạn chế được phóng điện ngược tới công trình cần bảo vệ. Ở các nhà máy điện và trạm biến áp về nguyên tắc là phải tách rời hai hệ thống nối đất làm việc và nối đất an toàn để phòng khi dòng điện ngắn mạch lớn hay dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất làm việc sẽ không gây điện thế cao trên hệ thống nối đất an toàn. Nhưng trong thực tế điều đó khó thực hiện vì nhiều lý do, cho nên thường chỉ dùng một hệ thống nối đất để làm hai nhiệm vụ. Do đó hệ thống nối đất chung đó phải thỏa mãn các yêu cầu của các thiết bị, cần có điện trở nối đất bé nhất. Điện trở nối đất của hệ thống này yêu cầu không được quá 0,5Ω. Để đảm bảo về yêu cầu nối đất cũng như để giảm nhẹ khối lượng kim loại trong việc xây dựng hệ thống nối đất, nên tận dụng các loại nối đất tự nhiên như: - Ống nước chôn dưới đất hay các ống kim loại khác (không chứa các chất gây cháy nổ). Hệ thống dây chống sét – cột. Kết cấu kim loại của các công trình. Khi dùng nối đất tự nhiên phải tuân theo những qui định của qui phạm. Nếu điện trở nối đất tự nhiên đã thỏa mãn các yêu cầu của thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạm đất bé thì không cần làm thêm nối đất nhân tạo nữa. Nhưng đối với các thiết bị có dòng điện ngắn mạch lớn thì cần phải nối đất nhân tạo và yêu cầu trị số điện trở nhân tạo phải nhỏ hơn 1Ω. IV.2 Trị số cho phép của điện trở nối đất: Trị số điện trở nối đất càng bé thì tác dụng của nối đất càng cao. Nhưng việc giảm trị số của điện trở nối đất sẽ làm tăng giá thành xây dựng lên nhiều vì số lượng kim loại tăng lên, do đó cần phải qui định trị số cho phép của điện trở nối đất. Đối với hệ thống nối đất làm việc, trị số của nó phải thỏa mãn các yêu cầu của tình trạng làm việc của mỗi thiết bị. Theo qui trình: Đối với các thiết bị nối đất trực tiếp thì yêu cầu điện trở nối đất phải thỏa mãn: R 0,5 Ω Đối với các thiết bị có điểm trung tính không nối đất trực tiếp thì yêu cầu: Ω nếu như hệ thống nối đất ấy dùng cho các thiết bị cao áp - Nếu như hệ thống có điểm trung tính cách điện và hệ thống nối đất cho cả các thiết bị cao áp và hạ áp thì yêu cầu: Ω nhưng không được quá 10 Ω. Dòng điện I tùy theo từng trường hợp sẽ có trị số khác nhau: - Trong hệ thống không có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là dong điện khi có chạm đất một pha: (4-1) Trong đó: C là điện dung của một pha của hệ thống nối đất. - Nếu hệ thống có thiết bị bù thì dòng điện tính toán I là phần dòng điện còn lại hay chưa được bù của dòng điện ngắn mạch chạm đất trong mạng khi đã cắt đi thiết bị bù có công suất lớn nhất, nhưng chú ý là không được quá 30 A. - Dòng điện tính toán trong hệ thống nối đất mà trong đó có nối thiết bị bù được lấy bằng 125% dòng điện định mức của thiết bị bù. Ngoài việc đảm bảo trị số điện trở nối đất đã qui định và giảm nhỏ điện trở nối đất của trạm và nhà máy, còn cần phải chú ý đến việc cải thiện sự phân bố thế trên trên toàn diện tích của trạm. IV.3 Hệ số mùa Đất là môi trường phức tạp không đồng nhất về kết cấu cũng như thành phần, do đó điện trở suất của đất phụ thuộc phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần, độ ẩm, nhiệt độ... của đất. Do khí hậu các mùa thay đổi nên độ ẩm, nhiệt độ của đất luôn luôn thay đổi, đặc biệt đối với lớp đất ở trên, còn đối với lớp đất sâu thì dao động của độ ẩm ít hơn. Vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất, về trị số tính toán điện trở suất của đất cần chú ý đến trị số lớn nhất của nó có trong các mùa được tính theo: (4-2) Trong đó : K là hệ số mùa. Trong đồ án này ta có điện trở suất của đất Điện trở cột RC =10 Ω. IV.4 Tính toán nối đất: Với cấp điện áp lớn hơn 110 kV nối đất an toàn phải thỏa mãn điều kiện là: điện trở nối đất của hệ thống phải có giá trị R0,5 Ω. Điều kiện này xuất phát từ việc ở cấp điện áp lớn hơn 110 kV dòng điện ngắn mạch lớn, khi chạm vỏ hoặc khi rò điện thì dòng điện sẽ rất lớn gây nguy hiểm. Ở cấp điện áp 110 kV trở lên do có trị số điện trở tản bé và có mức cách điện cao nên có thể thực hiện nối đất an toàn và nối đất chống sét chung. Điện trở nối đất của hệ thống phải thỏa mãn các điều kiện sau: Ω (4-3) Trong đó: RTN : là điện trở nối đất tự nhiên. RNT : là điện trở nối đất nhân tạo. RNT 1 Ω IV.4.1 Nối đất tự nhiên: Nối đất tự nhiên bao gồm các dạng sau: Các hệ thống ống dẫn nước, các ống kim loại chôn dưới đất không chứa các chất dễ cháy, nổ. Hệ thống dây chống sét, điện trở nối đất, cột điện đường dây mà được nối vào hệ thống nối đất của trạm. Các kết cấu kim loại của trạm như móng nhà, tường trạm. Trong phạm vi đồ án này ta chỉ xét nối đất tự nhiên của trạm là hệ thống dây chống sét - điện trở của cột điện của đường dây 110 kV, 220 kV tới trạm. Ta có công thức tính toán điện trở của hệ thống dây chống sét cột với số lượng cột lớn hơn 20 cột là: (4-4) Trong đó: Rcs là điện trở của dây chống sét trong một khoảng vượt, nếu có 2 dây chống sét thì lấy R’cs = Rc là điện trở nối đất của cột. Nếu trạm có n đường dây đi vào thì điện trở nối đất tự nhiên của trạm: RTN = (4-5) Dây chống sét dùng ở đây là dây C-70 có điện trở đơn vị là r0=2,38Ω/km Có 4 lộ đường dây 220 kV, khoảng vượt L1 = 295 m. Có 8 lộ đường dây 110 kV, khoảng vượt L2 = 195 m. Điện trở nối đất của cột điện là 10 Ω Giả thiết khoảng vượt của các đường dây cùng cấp điện áp và khoảng vượt của các khoảng cột trong cùng đường dây là bằng nhau thì ta có: (Ω) (Ω) Điện trở nối đất tự nhiên của 4 lộ đường dây 220 kV: (Ω) Điện trở nối đất tự nhiên của 8 lộ đường dây 110 kV: (Ω) Điện trở nối đất tự nhiên của hệ thống nối đất của trạm: (Ω) RTN = 0,17 Ω < 0,5 Ω nên ta lấy luôn trị số này là trị số điện trở của hệ thống nối đất an toàn. Trong lưới điện trung tính cách đất khi trị số điện trở nối đất đã đảm bảo thì không cần thực hiện nối đất nhân tạo, tuy nhiên lưới 220 kV và lưới 110 kV là lưới trung tính nối đất dòng điện ngắn mạch lớn cho nên ta vẫn phải thực hiện nối đất nhân tạo và yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo là Ω và đảm bảo yêu cầu về nối đất chống sét. IV.4.2 Nối đất nhân tạo: Ta phải thiết kế hệ thống nối đất nhân tạo với yêu cầu Ω. Nối đất nhân tạo trong phạm vi đồ án này ta dùng là nối đất dạng mạch vòng xung quanh trạm, Phía 110 kV có khích thước 137 x 61,5 m Phia 220 kV có khích thước 154 x 77,5 m Mạch vòng được thiết kế cách tường 1m. Hình vẽ 4-1 Mạch vòng nối đất Chu vi của mạch vòng: =578 (m) Điện trở tản xoay chiều của mạch vòng: (4-6) Trong đó: L: là chiều dài tổng của điện cực (chu vi của mạch vòng). t: độ chôn sâu của thanh làm mạch vòng, lấy t = 0,8 m. : điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm mạch vòng chôn ở độ sâu t. , lấy hệ số mùa với độ chôn sâu 0,8 m kmùa = 1,6 (Ω.cm) d: đường kính của thanh làm mạch vòng (nếu thanh là thanh dẹt có bề rộng b thì d=b/2). Ta chọn thanh có bề rộng b = 4 cm, do đó d =2 cm. K: là hệ số hình dáng phụ thuộc vào tỉ số . Giá trị K=f() được cho trong bảng: l1/l2 1 1,5 2 3 4 K 5,53 5,81 6,42 8,17 10,4 Ở đây do hình dáng trạm không phải là hình chữ nhật do đó ta phải qui đổi về dạng hình chữ nhật theo cách sau: Với L= 578 m S = => => Như vậy tỷ số: Xác định K bằng phương pháp đồ thị (hình vẽ 4 - 2) với tỉ số thì K=5,9047 Hình vẽ 4-2 Hệ số hình dáng Như vậy trị số điện trở tản xoay chiều của mạch vòng nối đất nhân tạo: = = 0,615 (Ω). RNT = Rmv = 0,615 Ω < 1 Ω cho nên đã đảm bảo yêu cầu nối đất an toàn. Tuy nhiên cần kiểm tra thêm về điều kiện nối đất chống sét, nếu như đã đảm bảo về điều kiện nối đất chống sét thì không cần phải tiến hành nối đất bổ sung, còn nếu không đảm bảo yêu cầu của nối đất chống sét thì cần phải tiến hành nối đất bổ sung. IV.4.3 Nối đất chống sét: Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất và tốc độ biến thiên của dòng điện sét theo thời gian rất lớn trong thời gian đầu điện cảm của khu vực nối đất rất lớn sẽ ngăn cản không cho dòng điện sét đi tới phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều. Trong thời gian về sau ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố đều hơn. Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian . Như vậy T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng () và điện dẫn tổng () của điện cực. Từ công thức trên ta thấy rằng khi dòng tản trong đất là dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L là không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào (thẳng đứng hay nằm ngang) cũng đều biểu thị trị số điện trở tản. Khi dòng điện đi vào trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tùy thuộc vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện. Với T<< τđs quá trình quá độ diễn ra rất nhanh, khi dòng điện sét đạt tới trị số cực đại thì quá trình quá độ cũng kết thúc và hệ thống nối đất thể hiện như một điện trở tản, trường hợp này ứng với trường hợp nối đất tập trung. Nếu điện cực dài, l lớn, hằng số thời gian lớn có thể đạt đến τđs và tại thời điểm dòng điện sét đạt tới trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc, nối đất thể hiện như một tổng trở Z và có trị số rất lớn so với trị số điện trở tản. Trường hợp này gọi là nối đất phân bố dài. Trong hệ thống bảo vệ chống sét cho trạm thì hệ thống nối đất chống sét được nối chung với mạch vòng nối đất an toàn, tạo thành một hệ thống nối đất chung (chỉ áp dụng cho trạm có cấp điện áp lớn hơn 10 kV). Do vậy nối đất chống sét là nối đất phân bố dài. Khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất, tổng trở xung kích Zxk có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở nối đất an toàn và điện áp trên các bộ phận nối đất có thể cao dẫn đến phóng điện ngược tới các thiết bị điện của trạm. Do đó ta phải tính toán kiểm tra yêu cầu của nối đất chống sét khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất. - Điều kiện kiểm tra Đối với trạm biến áp 220/110 kV khi có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì dòng điện sét I đi vào phải thỏa mãn điều kiện: <U50%MBA (4-7) Trong đó: I là biên độ dòng điện sét. Zxk(0,t) là tổng trở xung kích đầu vào của hệ thống nối đất. U50%MBA là trị số phóng điện xung kích của máy biến áp. Đối với phía 110 kV thì U50%MBA = 460 kV. Đối với phía 220 kV thì U50%MBA = 900 kV. Như vậy điều kiện của nối đất chống sét là Uđ < U50%MBA = 460 kV. - Dạng sóng tính toán của dòng điện sét Trong thiết kế ta chọn dạng sóng của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi cho dưới đây: Biên độ của dòng điện sét thường được dùng để tính là I = 150 kA. Độ dốc của dòng điện sét là: 300 (kA/μs). Như vậy thời gian đầu sóng là: τđs = (μs) Hình vẽ 4-3 Dạng sóng tính toán vào trạm Khi tính toán được giá trị tại chỗ dòng điện sét đi vào nối đất Uđ ta phải so sánh với U50%MBA =460 kV. Nếu thỏa mãn rồi thì thôi còn ngược lại nếu chưa thỏa mãn thì cần phải tiến hành nối đất bổ sung. - Kiểm tra phương án mạch vòng nối đất nhân tạo theo điều kiện nối đất chống sét. Trong nối đất chống sét: Khi dùng thanh ngang chôn sâu 0,8 m thì kmùa =1,25 = (Ω) Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều kiện sau: Bỏ qua nối đất tự nhiên và các thanh cân bằng điện áp trong trạm. Trong tính toán để đơn giản ta bỏ qua điện trở bản thân cực, vì nó rất nhỏ so với điện cảm, ta cũng bỏ qua tác dụng của điện dung vì nó cũng rất nhỏ so với điện dẫn. Không xét quá trình phóng điện trong đất Ta xem mạch vòng của hệ thống nối đất nhân tạo là sự ghép song song của 2 tia chiều dài mỗi tia là l=L/2, với L là chu vi của mạch vòng, l = 578/2 = 289 m. Sơ đồ thay thế của một tia: Hình vẽ 4-4 Sơ đồ thay thế 1 tia Trong sơ đồ thay thế trên thì: L là điện cảm của điện cực trên một đơn vị dài. G là điện dẫn tác dụng của điện cực theo đơn vị dài. Với: G = 1/(Ωm) L= Trong đó: l chiều dài cực r bán kính cực, với thép dẹt như ta đã chọn thì: r = b/4 = 4/4 = 1cm Như vậy: L μH/m Từ sơ đồ ta có hệ phương trình vi phân: Giải hệ phương trình này ta được điện áp tại điểm bất kỳ tại thời điểm t bất kỳ trên điện cực: (4-8) Từ đó ta suy ra tổng trở xung kích ở đầu vào của nối đất: Với: Do coi hệ thống nối đất là sự ghép song song của hai tia nên tổng trở xung kích của hệ thống nối đất tại thời điểm t = τđs sẽ là: (4-9) Từ công thức trên ta thấy tổng trở xung kích của nối đất gồm: + Thành phần biến thiên theo thời gian t. + Thành phần ổn định có trị số bằng trị số điện trở xoay chiều. Tổng trở xung kích của hệ thống nối đất tiến tới trị số ổn định càng nhanh thì trị số điện trở tản càng ngắn. Chiều dài của điện cực càng lớn thì điện áp ở đầu cuối càng bé chứng tỏ các phần cuối của điện cực phát huy tác dụng kém. Để xác định được Z∑(0,τđs) ta xét các chuỗi số sau: Chuỗi số: Chuỗi số: Trong chuỗi số này ta chỉ xét đến số hạng chứa (do trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua). Tức là ta tính với k sao cho: với k hay = 6,98 Ta chọn k trong khoảng từ 1 đến 7 = = 60,96 μs k 1 2 3 4 5 6 7 Tk(μs) 60,96 15,24 6,773 3,81 2,438 1,693 1,244 0,082 0,328 0,738 1,312 2,051 2,953 4,019 0,921 0,72 0,478 0,269 0,129 0,052 0,018 0,921 0,18 0,053 0,017 0,005 0,001 4E-04 Từ bảng trên ta có: =1,18 Vậy: = =5,9 (Ω) Uđ = I Z∑(0,τđs) = (kV) Vì Uđ = 884 kV > U50%MBA = 460 kV nên phương án nối đất mạch vòng nhân tạo chưa đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét, để đảm bảo an toàn cho thiết bị thì ta phải tìm phương án nối đất khác. Và các phương án có thể là: + Phương án đóng cọc kết hợp với thanh làm thành mạch vòng thanh cọc. + Phương án nối đất bổ sung gồm thanh và cọc. Trước hết ta chọn phương án đóng cọc kết hợp với thanh tạo thành hệ thống mạch vòng thanh cọc. như vậy khi thi công sẽ đơn giản và ít tốn kém hơn rất nhiều vì trong trạm còn liên quan đến nhiều thiết bị, Nhưng khi phương án đóng cọc thành mạch vòng vẫn không đáp ứng được yêu cầu thì bắt buộc ta phải nối đất bổ sung để đảm bảo an toàn cho trạm. - Kiểm tra phương án nối đất mạch vòng kết hợp với cọc xung quanh mạch vòng: Khi đó điện trở nối đất chống sét được tính theo công thức: Cọc được lựa chọn có kích thước: + Chiều dài cọc lcọc = 3 m + Đường kính d = 4 cm + Độ chôn sâu t = 0,8 m Đối với cọc dài 3 m, chôn sâu 0,8 m, kmùasét = 1,15 Điện trở cọc: (4-10) Trong đó: điện trở suất tính toán của đất, d là đường kính cọc d = 0,04 m t’ = t + lcọc/2 = 0,8 + 3/2 = 2,3 (m) Thay vào công thức trên ta có: = 26 (Ω) Ở trên ta cũng đã tính được điện trở của mạch vòng Rmvsét = 0,478 (Ω) Với a là khoảng cách giữa 2 cọc a = 1,5 m, l là chiều dài mỗi cọc. Chọn tỉ số a/l = 1, số cọc là n 193 cọc, tra bảng ta có: ηc = 0,36 ηt = 0,19 Vậy ta có: = = 0,326 (Ω) Tính toán tổng trở xung kích đầu vào của của nối đất: Với: G = = (1/Ωm) Để xác định được Z∑(0,τđs) ta xét các chuỗi số sau: Chuỗi số: Chuỗi số: Trong chuỗi số này ta chỉ xét đến số hạng chứa (do trở đi có giá trị rất nhỏ so với các số hạng trước nên ta có thể bỏ qua). Tức là ta tính với k sao cho: với k hay = 8,45 Ta chọn k trong khoảng từ 1 đến 9 = = 89,25 μs k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tk(μs) 89,25 22,31 9,917 5,578 3,57 2,479 1,821 1,395 1,102 0,056 0,224 0,504 0,896 1,401 2,017 2,745 3,585 4,538 0,946 0,799 0,604 0,408 0,246 0,133 0,064 0,028 0,011 0,946 0,2 0,067 0,026 0,01 0,004 0,001 4E-04 1E-04 Từ bảng trên ta có: =1,253 Vậy: = =4,89 (Ω) Uđ = I Z∑(0,τđs) = (kV) Vì Uđ = 734 kV > U50%MBA = 460 kV nên phương án nối đất mạch vòng kết hợp với đóng cọc xung quanh mạch vòng chưa đảm bảo yêu cầu nối đất chống sét, để đảm bảo an toàn cho thiết bị thì ta phải tiến hành nối đất bổ sung. - Kiểm tra phương án nối đất mạch vòng kèm theo nối đất bổ sung theo yêu cầu của nối đất chống sét: Trong nối đất bổ sung ta sử dụng dạng nối đất tập trung gồm thanh và cọc. Do việc xác định Zbx bằng lý thuyết là rất khó khăn cho nên ta chọn hình thức nối đất bổ sung như sau: Chọn thanh nối đất bổ sung là loại thép dẹt có: + Chiều dài lT = 6 m + Bề rộng bT = 0,04 m Dọc theo chiều dài thanh có chôn 3 cọc tròn có: + Chiều dài cọc lcọc = 2 m + Đường kính d=0,04 m + Độ chôn sâu t= 0,8 m Khoảng cách giữa 2 cọc a= 2 m. Sơ đồ nối đất bổ sung như sau: Hình 4-5 Sơ đồ nối đất bổ sung thanh-cọc Nối đất chống sét cho nên ta lấy hệ số kmùa như sau: + Đối với thanh ngang chôn sâu t= 0,8 m thì kmùa = 1,25. + Đối với cọc dài 2 m chôn sâu t= 0,8 m thì kmùa = 1,15. Điện trở của thanh: (4-11) Trong đó: lT là chiều dài thanh lT = 6 m. t độ chôn sâu của thanh làm tia, lấy t = 0,8 m. điện trở suất tính toán của đất đối với thanh làm tia chôn ở độ sâu t. , lấy hệ số mùa với độ chôn sâu 0,8 m kmùa = 1,25 (Ω/cm) d đường kính của thanh làm mạch vòng (nếu thanh là thanh dẹt có bề rộng b thì d=b/2). Ta chọn thanh có bề rộng b = 4 cm, do đó d =2 cm. K hệ số hình dáng lấy K= 1 do thanh nằm ngang. Thay vào công thức trên ta có: (Ω) = 19,2 Ω Điện trở của cọc: Điện trở cọc: Trong đó: điện trở suất tính toán của đất, d là đường kính cọc d = 0,04 m t’ = t + lcọc/2 = 0,8 + 2/2 = 1,8 (m) Thay vào công thức trên ta có: = 33,56 (Ω) Điện trở bổ sung: Điện trở bổ sung được tính theo công thức: Trong đó: n là số cọc ηT, ηC là hệ số sử dụng của thanh và cọc Tra bảng tìm ηT, ηC ta có với tỉ số a/l =1 và số cọc n = 3 thì: ηT = 0,77 ηC = 0,76 thay các giá trị trên vào công thức trên ta có: = 9,6 (Ω) Tổng trở vào của hệ thống nối đất khi có nối đất bổ sung: Tổng trở vào của hệ thống khi có nối đất bổ sung được tính như sau: (4-12) Trong đó: A = ==0,455 (Ω) B = Trong chuỗi số trên thì ta chỉ xét đến còn từ trở đi có giá trị quá nhỏ có nghĩa là ta tính Xk sao cho: => Khi lập sơ đồ thay thế ta coi hệ thống nối đất có dạng hình chữ nhật và khi tính toán thì xem hệ thống gồm 2 phần song song với nhau và có cùng độ dài, sơ đồ thay thế như sau: Hình vẽ 4-6 Trong đó: L’ là điện cảm tương đương của một đơn vị dài và L’ = L/2. G’ là điện dẫn tươn đương của một đơn vị dài G’ = 2G. Ta có: (μs) = Trong đó Xk là nghiệm của phương trình: = Giải phương trình trên bằng phương pháp đồ thị ta xác định được các nghiệm sau: Đồ thị: Hình vẽ 4-7 k 1 2 3 4 5 6 7 Xk 2,99 5,99 9 12,02 15,06 18,1 21,17 Cos(Xk) -0.989 0.957 -0.911 0.854 -0.797 0.732 -0.681 B = = = Ta có bảng sau: k 1 2 3 4 5 6 7 Xk 2,99 5,99 9 12,02 15,06 18,1 21,17 1,023 1,091 1,205 1,37 1,573 1,866 2,154 1,073 1,141 1,255 1,42 1,623 1,916 2,204 0,074 0,298 0,672 1,199 1,882 2,719 3,72 0,928 0,742 0,511 0,301 0,152 0,066 0,024 Bk 0,827 0,622 0,389 0,203 0,09 0,033 0,011 Từ bảng ta có: B = = 2,174 Từ đó tính được: =0,455 + 2,174 = 2,629 (Ω) Điện áp khi có dòng điện đi vào nối đất tại thời điểm t = τđs (thời điểm dòng điện sét đạt giá trị cực đại) là: Uđ = IZXK(0,τđs)=150.2,629 = 294 (kV) < U50%MBA = 460 kV Vì giá trị của Ud < U50%MBA nên hệ thống nối đất bổ sung trên đảm bảo yêu cầu của nối đất chống sét. Kết luận: Như vậy với việc kiểm tra phương án nối đất mạch vòng kết hợp với thanh đóng xung quanh mạch vòng và phương án nối đất mạch vòng có nối đất bổ sung, thì phương án nối đất mạch vòng có nối đất bổ sung đảm bảo về yều cầu của nối đất an toàn và nối đất chống sét. Vậy ta sử dụng phương án này để thực hiện nối đất cho trạm. Trong chương 1 ta chọn phương án chống sét cho trạm là phương án 1 có 20 cột chống sét như vậy số lượng sắt thép dùng trong nối đất bổ xung là: L2 = = 240 (m) Như vậy số lượng sắt thép dùng trong hệ thống nối đất là: LΣ = L + L2 = 578 + 240 = 818 (m) Sơ đồ nối đất cho toàn trạm: Hình vẽ 4-8 Sơ đồ nối đất toàn trạm CHUYÊN ĐỀ: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP KHI LỰA CHỌN KẾT CẤU PHÂN PHA A, Đặt vấn đề: Do cường độ điện trường trên mặt dây dẫn tăng tỷ lệ với điện áp nên ở lĩnh vực siêu cao áp và cực cao áp điện trường này sẽ có trị số đủ lớn để gây nên phóng điện vầng quang trong miền không khí bao quanh dây dẫn. Để khắc phục nhược điểm này ta phải tăng cường tiết diện dây dẫn, ví dụ ở cấp điện áp 500 kV thì đường kính tối thiểu của dây dẫn các pha khoảng 50 mm (tiết diện khoảng 1964). Với tiết diện dây này thì có thể tải dòng điện rất lớn theo phương pháp tiết diện dây kinh tế cho nên với các dòng công suất bình thường thì sẽ gây nên một chi phí khổng lồ cho việc xây dựng đường dây, cùng với đó việc chế tạo, vận chuyển và lắp đặt các cỡ dây lớn như vậy sẽ rất khó khăn… Điều này đã dẫn đến kỹ thuật phân pha, một kỹ thuật độc đáo của lĩnh vực cao áp và siêu cao áp – dây dẫn đơn pha được thay thế bằng chùm n dây dẫn phân nhỏ với khoảng cách giữa các dây phân nhỏ là a. Điều chỉnh các tham số n và a sẽ làm giảm cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn để không cho xuất hiện phóng điện vầng quang. Sử dụng kỹ thuật phân pha còn có tác dụng nâng cao công suất tự nhiên của đường dây, nhưng mặt khác lại làm tăng điện dung của đường dây và do đó làm nặng nề thêm hậu quả do điện dung đường dây gây nên. Do đó việc xác định số phân pha n và khoảng cách a của đường dây siêu cao áp, và cực cao áp cần phải được xem xét trên nhiều phương diện: Tác dụng của phân pha đối với các tham số cơ bản của đường dây. Tác dụng của phân pha đối với vầng quang. B, Giải quyết vấn đề: 1, Tác dụng của phân pha đối với các tham số cơ bản của đường dây. 1.1 Điện dung hệ 3 dây – đất. Cho hệ “3 dây dẫn – đất”. mỗi dây có độ cao treo dây hi, bán kính ri và có mật độ điện tích trên đơn vị dài () (hình 1-1): Ta có hệ phương trình maxwell như sau: (1-1) Trong phương trình trên , , là điện thế các dây còn , là các hệ số thế riêng và tương hỗ giữa dây i và dây k. Các hệ số thế riêng có trị số: (1-2) Và các hệ số thế tương hỗ: (1-3) là hằng số điện môi của không khí có trị số bằng với trị số của chân không (). Các khích thước biểu thị trên hình vẽ 1-1: Hình 1-1 Khi đường dây có hoán vị ta có khái niệm hệ số thế riêng trung bình: Với ri = r: Do có hoán vị nên vị trí tương đối giữa các pha với nhau cũng sẽ giống nhau và do đó có: (1-4) Khi 3 pha vận hành ở chế độ đối xứng thì và điện thế mỗi pha ví dụ ở pha 1 sẽ có trị số bằng: (1-5) Từ đó xác định được điện dung thứ tự thuận: (1-6) Thay thế và bằng các giá trị của chúng ta có: (1-7) Khi khoảng cách tới mặt đất đủ xa so với khoảng cách giữa các dây thì điện dung C được viết gần đúng: (1-8) Công thức gần đúng trên chỉ được dùng trong tính toán điện dung của đường dây trung áp và cao áp, do chúng có khoảng cách pha bé so với độ cao tới mặt đất. Ở các đường dây siêu cao áp và cực cao áp do khoảng cách pha lớn và không nhỏ thua nhiều lắm so với độ cao treo dây dẫn nên điện dung phải được tính theo (1-7). Ở công thức trên ta thấy ảnh hưởng của mặt đất làm tăng điện dung của đường dây so với khi tính toán theo (1-8). 1.2 Điện cảm và điện kháng thứ tự thuận của đường dây 3 pha. Điện kháng thứ tự thuận của đường dây ba pha được xác định theo điều kiện và có trị số: H/km (1-9) /km (1-10) Trong đó: (1-11) 1.3 Điện dung và điện cảm của đường dây ba pha dùng dây phân pha. Cho phân pha là kết cấu gồm chùm n dây nhỏ có độ cao so với mặt đất là h (hình 1-2). Bán kính khung định vị là R được xác định bởi: R = (1-12) Trong đó: a - là khoảng cách giữa hai dây nhỏ lân cận nhau. Gọi U, q là điện thế và điện tích trên đơn vị dài của mỗi pha ta sẽ viết được hệ phương trình Maxwell cho các dây nhỏ mà mỗi chúng đều có điện thế U và điện tích q/n: (1-13) Hình 1-2 Do khoảng cách giữa các dây nhỏ (lớn nhất là 2R) rất bé so với độ treo cao của chùm dây nhỏ (h) nên có thể viết gần đúng các hệ số thế riêng và hệ số thế tương hỗ giữa các dây nhỏ theo công thức: (1-14) Từ hệ phương trình (1-13) ta có được: = Từ đó ta có công thức tính điện dung: (1-15) Như đã biết điện dung của hệ “dây dẫn - đất” (hình 1-3) có trị số bằng: (1-16) Hình 1-3 Nhận thấy rằng chùm n dây nhỏ được xem như tương đương với một dây đơn có bán kính đẳng trị bằng: (1-17) Thay thế: Sẽ được: Với quan hệ: Nên sẽ được biểu thức khác về rdtr: (1-18) Điện dung và điện cảm thứ tự thuận của đường dây ba pha dùng dây phân pha sẽ được tính theo các công thức (1-7) và (1-10) khi thay thế r bởi rdtr: (1-19) Với D là khoảng cách trung bình giữa các pha khi có xét đến ảnh hưởng của mặt đất: (1-20) Dễ nhận thấy khi dùng kết cấu phân pha sẽ làm giảm điện cảm và làm tăng điện dung đường dây. 2, Tác dụng của phân pha đối với vầng quang. 2.1 Vầng quang trên đường dây ba pha dùng dây đơn. Điện trường trên mặt dây dẫn ở mỗi pha được xác định theo định luật Gauss: => (1-21) Trong đó: r – bán kính dây dẫn các pha E – điện trường trên mặt dây dẫn q – điện tích trên đơn vị dài của dây dẫn, được xác định theo: U – điện áp định mức của đường dây C – điện dung đường dây Thay q vào công thức 1-1 ta có: kVmax/cm D - khoảng các trung bình giữa các pha có xét đến ảnh hưởng của mặt đất: cm Giả thiết với đường dây 500 kV thì ta có các thông số như sau: Umax = 525 kV Các dây pha được bố trí trên cùng mặt phẳng với khoảng cách d = 10 m: Hình 1-4 vị trí dây dẫn của đường dây 500 kV Như vậy khoảng cách trung bình giữa các dây pha là: (m) = 1131 (cm) Như vậy ta có cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn đường dây 500 kV được tính theo biểu thức: kVmax/cm (1-22) Khi điện trường trên mặt dây vượt ngưỡng Evq là trị số điện trường khởi đầu của phóng điện vầng quang thì sẽ có xuất hiện vầng quang trong miền không khí bao quanh dây dẫn. Điện trường Evq được xác định bằng thực nghiệm của Peek: kV/cm Trong đó: m - hệ số nhám phụ thuộc và độ tròn bóng của bề mặt dây với dây nhiều sợi thì m = 0,82, dây một sợi nhẵn m = 1. t - nhiệt độ môi trường không khí r - bán kính dây dẫn - mật độ không khi (1-23) p - là áp suất khí quyển (mm Hg) p0 - áp suất khí quyển ở mức nước biển p0 = 760 mmHg H - cao độ so với mức nước biển H = 1000 m => (mmHg) Chọn dây nhám để tính Evq: m = 0,82 = kV/cm Để không có xuất hiện vầng quang khi đường dây vận hành ở điện áp định mức thì cần thỏa mãn điều kiện: E < Evq Như vậy ta xác định r bằng phương pháp đồ thị dựa theo 2 phương trình (1-2), (1-3): Hình 1-5 E và Evq theo r Tại điểm r = 2,3 cm thì ta có E = Evq, như vậy đối với đường dây 500 kV để không có vầng quang xuất hiện trong điều kiện vần hành bình thường thì bán kính dây dẫn không được nhỏ hơn rmin = 23 mm tương đương với tiết diện là 1661 . Tiết diện dây dẫn như vậy là quá lớn, bây giờ ta sẽ tiến hành tính toán phân pha cho đường dây trên để có tiết diện dây dẫn tổng là hợp lý. 2.2 Phân bố điện trường trên mặt dây dẫn khi dùng dây phân pha. Khi dùng phân pha do các dây có ảnh hưởng lẫn nhau nên điện trường sẽ không đều trên mặt các dây nhỏ. Điện trường tại điểm M xác định bởi góc θ (hình 1-3) ở trường hợp tổng quát khi có n dây nhỏ được xác định theo công thức: (1-24) Trong đó: E là cường độ điện trường trung bình trên mặt các dây nhỏ. Để xác định E ta viết biểu thức định luật Gauss cho một dây nhỏ: và được Θθ θ θ θ θ θ Hình 1-6 Thay thế q bởi sẽ dẫn đến: Trong đó: rđtr - được xác định theo công thức: D - khoảng cách trung bình giữa các pha có xét đến ảnh hưởng của mặt đất: (cm) Trong công thức trên cho thấy điện trường cực đại xuất hiện tại các điểm phía ngoài nhất ứng với θ = 0 còn ở các điểm phía trong nhất ứng với θ = π thì điện trường cực tiểu. Trị số điện trường cực đại có trị số bằng: Khi thay thế thì của nó sẽ có: Emax = f(U, D, n, r0, a) Do có tương quan giữa U và D, giữa n và r0 nên điện trường chỉ còn phụ thuộc vào hai biến độc lập nhau đó là khoảng cách giữa các dây nhỏ lân cận nhau a và bán kính dây nhỏ r0 hoặc số dây nhỏ n: Emax = f(n, a) Khi lựa chọn kết cấu phân pha cho đường dây theo yêu cầu của vầng quang để không có xuất hiện vầng quang trong điều kiện vận hành bình thường phải đảm bảo sao cho điện trường cực đại trên mặt dây nhỏ không vượt quá giới hạn của điện trường vầng quang… và như vậy: Trong điều kiện điện áp và tiết diện dây đã xác định thì từ bất đẳng thức trên sẽ xác lập được quan hệ a(n) để không có vầng quang. Với đường dây 500 kV đã xét ở trên ta đã có D = 1131 cm, Umax = 525 kV = kV/cm Tiết diện tổng của dây dẫn 1 pha là s 1320 , tiết diện của một dây là s = , bán kính của một dây là + Nếu phân làm 2 phân pha thì: () (kV/cm) Như vậy: E= Vẽ E(a) ta có (Hình vẽ 1-7): Hình 1-7 Như vậy cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn luôn lớn hơn 31,93 kV/cm, cho nên khi phân dây dẫn làm 2 phân pha không thỏa mãn với mọi khoảng cách a. + Nếu phân làm 3 phân pha thì: () (kV/cm) Như vậy: Ta vẽ quan hệ E(a) trên hình 1-8: Hình 1-8 + Nếu phân làm 4 phân pha thì: () (kV/cm) Như vậy: Ta vẽ quan hệ E(a) trên hình 1-9: Hình 1-9 Tại a = 22,3 cm thì E = Emin = 26,93 < 27,76 kV/cm Như vậy khi phân làm 4 phân pha thì với a = 22,3 cm cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn luôn thỏa mãn E < Evq = 27,76 kV/cm. + Nếu phân làm 5 phân pha thì: () (kV/cm) Như vậy: Ta vẽ quan hệ E(a) trên hình 1-10: Hình 1-10 Tại a = 20,2 cm thì E = Emin = 25,3 <28,15 kV/cm Như vậy khi phân làm 5 phân pha thì với a = 20,2 cm cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn luôn thỏa mãn E < Evq = 28,15 kV/cm. 2.3, Tác dụng của phân pha đối với công suất tự nhiên. Do phân pha ảnh hưởng đến trị số của điện cảm và điện dung đường dây nên đã ảnh hưởng đến công suất tự nhiên Ptn của đường dây: Ptn = (1-25) Trong công thức trên thì Z là tổng trở sóng của đường dây, do ở các đường dây cao áp và siêu cao áp thì điện trở là nhỏ so với điện kháng cho nên ta có tổng trở đường dây được tính theo công thức: (1-26) Thay thế các giá trị của L, C vào biểu thức của tổng trở sóng ta có: (1-27) Viết lại biểu thức của công suất tự nhiên khi thay (1-28) Khảo sát sự phụ thuộc của công suất tự nhiên và n và a: Hình 1-11 2.4, Tác dung của phân pha với điện cảm và điện dung đường dây. Khảo sát sự phụ thuộc của điện cảm và điện dung đường dây và n và a: Hình 1-12 Sự phụ thuộc của điện dung vào a và n Hình 1-13 Sự phụ thuộc của điện kháng vào a và n 3, Phương pháp xác định tổn hao công suất và điện năng do vầng quang cục bộ. 3.1 Mở đầu: Hiện nay có rất nhiều phương pháp và công thức thực nghiệm khác nhau để tính tổn thất công suất và điện năng do vầng quang cục bộ, mỗi tác giả đều dựa trên các nghiên cứu của mình kết hợp với việc tham khảo so sánh với các phương pháp khác của đồng nghiệp. Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp đơn giản được đa số ủng hộ đưa vào sổ tay tra cứu của Liên Xô. Số liệu chủ yếu dùng tính toán tổn công suất thất do vầng quang là các số liệu thực nghiệm đo được trên đường dây thực tế có trang bị các dụng cụ đo. Tổn thất công suất do vầng quang cục bộ ΔPvq trên đường dây biểu diễn bằng quan hệ hàm: (1-29) Trong đó: n - số phân pha trong một pha. d - đường kính tính toán dây pha, (cm) Etd - cường độ điện trường tương đương của pha phân nhỏ, (kV/cm) Evq - cường độ điện trường khởi đầu của phóng điện vầng quang, với nó bắt đầu phóng điện vầng quang, (kV/cm). Khi tính tổn thất do vầng quang có các dạng thời tiết sau: 1, thời tiết tốt; 2, mưa (kể cả tuyết ướt); 3, tuyết; 4, băng giá. Các hàm Ftốt, Fm, Ft, Fb, tương ứng với các dạng thời tiết nói trên. Thường khi thiết kế mẫu đường dây trong vùng có khí hậu ôn hòa có thể lấy thời gian thời tiết tốt Ftốt = 7235 h, thời tiết mưa và tuyết ướt Fm = 500 h, Ft =800 h, Fb =225. Các số liệu ban đầu dùng để tính toán: chiều cao treo dây so với mặt nước biển H, nhiệt độ trung bình hàng năm ttb, khoảng cách trung bình hình học giữa các pha Dtb, cỡ dây và số dây dẫn trong một pha, điện áp dây Ud. Thứ tự tiến hành tính toán tổn thất công suất và điện năng do vầng quang như sau: Xác định áp suất không khí tại độ cao treo dây so với mặt nước biển: Xác định mật độ không khí tương đối: Tính Evq theo công thức: kV/cm Xác định cường độ điện trường tương đương: Xác định cường độ điện trường tương đương trên bề mặt dây dẫn tất cả các pha E1td, E2td, E3td. Trường hợp pha có một dây dẫn, cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn các pha ngoài bằng: (1-30) Trong đó: Ud - điện áp dây, (kV) d - đường kính dây, (cm) Dtb - khoảng cách trung bình hình học giữa các pha (cm) Cường độ điện trường của pha giữa lớn hơn của pha ngoài 7%. Khi sử dụng dây phân pha cường độ điện trường tương đương của pha thứ i (i=1, 2, 3) tính theo công thức: Ei,td = (1-31) với (1-32) Trong đó: Ei,tb- là cường độ điện trường trung bình trên bề mặt dây dẫn trong cụm dây phân pha. - là hệ số phụ thuộc vào số n dây dẫn trong một pha xác định theo bảng dưới đây : Số dây dẫn trong một pha 2 3 4 Hệ số 2 a - khoảng cách giữa các dây dẫn trong pha phân nhỏ,(cm). Cường độ điện trường trung bình trên bề mặt pha phân nhỏ nằm ngoài cùng bằng: (1-33) Cường độ điện trường trung bình trên bề mặt pha phân nhỏ nằm giữa lấy lớn hơn 7% so với các pha nằm ngoài: (1-34) Theo các đường cong hình vẽ 1-14 xác định các trị số Ttốt (Etd/Evq), Fm(Etd/Evq), Tt (Etd/Evq), Fb(Etd/Evq). Khi xác định Ftốt trị số E0 lấy tương ứng với tính theo (1-23), cong khi xác định Fm, Ft, Fb thì lấy . Tổn thất công suất: (1-35) Do ở nước ta không có tuyết và băng cho nên công thức có dạng sau: (1-36) 3.2 Xây dựng phương pháp giải tích đồ thị tính tổn thất công suất và điện năng trên đường dây siêu cao áp và cực cao áp. Ta có các hàm tổn thất vầng quang cho dưới dạng bảng (Ftốt, Fm): Etd/Evq Ftốt (n) Fm 1 2 3 4 0.5 0.6 0.9 1.1 1.25 7.5 0.55 0.8 1.3 1.6 1.8 13 0.6 0.9 1.8 2.2 2.8 24 0.65 1.4 2.5 3 3.6 36 0.7 2 3.8 4.3 5.1 58 0.75 3 5.3 5.8 7.2 80 0.8 5 6.5 9 9.8 110 0.85 7 12 14 15 140 Để thuận lợi trong quá trình tính toán bằng máy tính ta có thể xây dựng một phương pháp giải tích đồ thị nhằm biến các đường cong thành các hàm toán học, như vậy toàn bộ quá trình tính toán tổn hao công suất và tổn hao điện năng trên đường dây tải điện đều có thể tiến hành bằng phương pháp giải tích thông thường. Hình 1-14 Phương pháp được sử dụng ở đây là phương pháp bình phương cực tiểu ta nhận thấy các đường cong đều có dạng gần như là hàm hypebol nên ta xấp xỉ bằng một hàm hypebol : Tính toán và quy đổi đường cong thực nghiệm về hàm bậc 2: - Đối với thời tiết tốt (số dây trên một pha n=1) Ta có bảng thống kê sau: i x y yx 1 0.5 0.6 0.25 0.125 0.063 0.15 0.3 2 0.55 0.8 0.303 0.166 0.092 0.242 0.44 3 0.6 0.9 0.36 0.216 0.13 0.324 0.54 4 0.65 1.4 0.423 0.275 0.179 0.592 0.91 5 0.7 2 0.49 0.343 0.24 0.98 1.4 6 0.75 3 0.563 0.422 0.316 1.688 2.25 7 0.8 5 0.64 0.512 0.41 3.2 4 8 0.85 7 0.723 0.614 0.522 5.058 5.95 5.4 20.7 3.75 2.673 1.95 12.23 15.79 Ta có hệ phương trình xác định các hệ số của hàm Ftốt,n=1(): Giải hệ phương trình trên ta có được a = 88,78, b = -102,5, c = 30,2. Hàm có dạng giải tích: Ftốt,n=1= (1-37) - Đối với thời tiết tốt (số dây trên một pha n=2) Ta có bảng thống kê sau: i x y yx 1 0.5 0.9 0.25 0.125 0.063 0.225 0.45 2 0.55 1.3 0.303 0.166 0.092 0.393 0.715 3 0.6 1.8 0.36 0.216 0.13 0.648 1.08 4 0.65 2.5 0.423 0.275 0.179 1.056 1.625 5 0.7 3.8 0.49 0.343 0.24 1.862 2.66 6 0.75 5.3 0.563 0.422 0.316 2.981 3.975 7 0.8 6.5 0.64 0.512 0.41 4.16 5.2 8 0.85 12 0.723 0.614 0.522 8.67 10.2 5.4 34.1 3.75 2.673 1.95 20 25.91 Ta có hệ phương trình xác định các hệ số của hàm Ftốt,n=2(): Giải hệ phương trình trên ta có được a = 134,24, b = -153,68, c = 45. Hàm có dạng giải tích: Ftốt,n=2= (1-38) - Đối với thời tiết tốt (số dây trên một pha n=3) Ta có bảng thống kê sau: i x y yx 1 0.5 1.1 0.25 0.125 0.063 0.275 0.55 2 0.55 1.6 0.303 0.166 0.092 0.484 0.88 3 0.6 2.2 0.36 0.216 0.13 0.792 1.32 4 0.65 3 0.423 0.275 0.179 1.268 1.95 5 0.7 4.3 0.49 0.343 0.24 2.107 3.01 6 0.75 5.8 0.563 0.422 0.316 3.263 4.35 7 0.8 9 0.64 0.512 0.41 5.76 7.2 8 0.85 14 0.723 0.614 0.522 10.12 11.9 5.4 41 3.75 2.673 1.95 24.06 31.16 Ta có hệ phương trình xác định các hệ số của hàm Ftốt,n=3(): Giải hệ phương trình trên ta có được a = 165,45, b = -190,17, c = 55,94. Hàm có dạng giải tích: Ftốt,n=3= (1-39) - Đối với thời tiết tốt (số dây trên một pha n=4) Ta có bảng thống kê sau: i x y yx 1 0.5 1.25 0.25 0.125 0.063 0.313 0.625 2 0.55 1.8 0.303 0.166 0.092 0.545 0.99 3 0.6 2.8 0.36 0.216 0.13 1.008 1.68 4 0.65 3.6 0.423 0.275 0.179 1.521 2.34 5 0.7 5.1 0.49 0.343 0.24 2.499 3.57 6 0.75 7.2 0.563 0.422 0.316 4.05 5.4 7 0.8 9.8 0.64 0.512 0.41 6.272 7.84 8 0.85 15 0.723 0.614 0.522 10.84 12.75 5.4 46.55 3.75 2.673 1.95 27.04 35.2 Ta có hệ phương trình xác định các hệ số của hàm Ftốt,n=4(): Giải hệ phương trình trên ta có được a = 143,48, b = -157,7, c = 45. Hàm có dạng giải tích: Ftốt,n=4= (1-40) - Đối với thời tiết mưa Ta có bảng thống kê sau: i x y yx 1 0.5 7.5 0.25 0.125 0.0625 1.875 3.75 2 0.55 13 0.3025 0.1664 0.0915 3.9325 7.15 3 0.6 24 0.36 0.216 0.1296 8.64 14.4 4 0.65 36 0.4225 0.2746 0.1785 15.21 23.4 5 0.7 58 0.49 0.343 0.2401 28.42 40.6 6 0.75 80 0.5625 0.4219 0.3164 45 60 7 0.8 110 0.64 0.512 0.4096 70.4 88 8 0.85 140 0.7225 0.6141 0.522 101.15 119 5.4 468.5 3.75 2.673 1.95 274.63 356.3 Ta có hệ phương trình xác định các hệ số của hàm Fmưa (): Giải hệ phương trình trên ta có được a = 607,6, b = -435,8, c = 67,94. Hàm có dạng giải tích: Fmưa= (1-45) Kết quả cho dưới dạng bảng: Etd/Evq Ftốt (n) Fm 1 2 3 4 0.5 1.098 1.72 2.218 2.02 1.94 0.55 0.629 1.084 1.395 1.668 12.05 0.6 0.604 1.118 1.4 2.033 25.2 0.65 1.024 1.824 2.232 3.115 41.38 0.7 1.887 3.202 3.892 4.915 60.6 0.75 3.194 5.25 6.378 7.433 82.87 0.8 4.946 7.97 9.692 10.67 108.2 0.85 7.141 11.36 13.83 14.62 136.5 Từ các kết quả trên ta tổng kết và vẽ được các đường đồ thị tương ứng (hình 1-15) cho thời tiết tốt và cho thời tiết mưa: Hình 1-15 4 Tính toán tổn hao vầng quang trên đường dây tải điện siêu cao áp 500 kV Bắc Nam đoạn Hòa Bình –Hà Tĩnh: - Với các thông số như sau: Chiều dài toàn tuyến: L = 342 km Hệ số nhẵn bề mặt dây dẫn: m = 0,8 Khoảng cách phân pha: a = 45 cm Số dây dẫn trong pha phân nhỏ: n = 4 Bán kính dây dẫn: r0 = 1,265 cm Khoảng cách trung bình giữa các pha: D = 13,04 m Thời gian thời tiết tốt trong năm: Ttốt = 6550 h Thời gian mưa trong năm: Tmưa= 960 h Độ cheo cao trung bình so với mặt nươc biển: H = 200 m Nhiệt độ trung bình : t = 23,3 Tính với điện áp bằng điện áp định mức: U = 500 kV - Các kết quả tính toán: Áp suất không khí tại độ cao treo dây so với mặt nước biển: = (mmHg) Mật độ không khí tương đối trung bình: Cường độ điện trường khởi đầu của phóng điện vầng quang: = (kV/cm) (kV/cm) Cường độ điện trường trung bình trên bề mặt pha phân nhỏ: - Pha ngoài: = =19,22 (kV/cm) - Pha giữa: (kV/cm) Cường độ điện trường tương đương trên bề mặt dây dẫn: Với: và (kV/cm) (kV/cm) Tỷ số cường độ điện trường tương đương trên cường độ điện trường khởi đầu phóng điện vầng quang: - Thời tiết tốt: Pha ngoài: Pha giữa: - Thời tiết mưa: Pha ngoài: Pha giữa: Theo đường cong ta xác định được các giá trị F1tốt, F2tốt, F1mưa, F2mưa: = 3,3 = 5 Tổn thất công suất trên một km của đường dây: = 5,246 (kW/km) Tổn thất điện năng trên một km đường dây trong một năm: (kWh/km) Tổn thất điện năng trong một năm trên cả đoạn đường dây: (kWh) C, Viết chương trình phân mềm tính toán cho phần chuyên đề: 1, Giới thiệu chương trình. Chương trình tính toán này được xây dựng bằng ngôn ngữ Visual basic 6.0, nó được dùng để tính toán các thông số như: Điện dung thứ tự thuận đơn vị C của đường dây. Điện cảm thứ tự thuận đơn vị L của đường dây. Công suất tự nhiên của đường dây Ptn. Cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn. Cường độ điện trường khởi đầu của phóng điện vầng quang Evq. Tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây. 2, Sơ đồ khối của chương trình Nếu cho n và a biến thiên thì các giá trị trên sẽ được hiển thị trên đồ thị. Sơ đồ khối: Thông số đầu vào: S, m, H, t, h1, h2, h3, d1, d2 Tính d12, d23, d31, D11’, D22’, D33’, D12’, D23’, D31’ Tính D, D0 theo 1-11 và 1-20 Tính r0 Tính p,, tính Evq theo các công thức 1-24,1-23, 1-22 Cho a biến thiên với mỗi cặp giá trị của a, n: Tính C0, L0 theo công thức 1-19 và 1-20 Tính Z và tính Ptn theo công thức 1-26 và 1-25 Tính Emax theo công thức 1-24 In kết quả n = 2 n = n+1 n < 12 đúng sai Nếu cho trước a và n thì các thông số trên được tính thành giá trị hiển thị ở bảng. Sơ đồ khối: Thông số đầu vào: n, a, S, L, Ttốt, Tmưa, m, H, t, h1, h2, h3, d1, d2 Tính d12, d23, d31, D11’, D22’, D33’, D12’, D23’, D31’ Tính D, D0 theo 1-11 và 1-20 Tính r0 Tính p,, tính Evq theo các công thức 1-24,1-23, 1-22 Tính C0, L0 theo công thức 1-19 và 1-20 Tính Z và tính Ptn theo công thức 1-26 và 1-25 Tính Ei,tb , Ei,tđ theo công thức 1-33 và 1-32 Tính các tỷ số Lựa chọn các hàm 1-37, 1-38, 1-39, 1-40 phù hợp với giá trị của n để tính Ftổt Tính Fmưa theo công thức 1-41 Tính tổn thất công suất theo 1-36 Tổn thất điện năng Tổn thất điện năng trên chiều dài L của đường dây In kết quả 3, Hướng dẫn sử dụng chương trình: Giao diện chương trình: Khi khởi động, chương trình có giao diện như trên, các thông số đầu vào bao gồm: Tiết diện tổng của dây dẫn trong 1 pha S (). Hệ số nhám của đường dây m Độ cao so với mặt nước biển của vùng có đường dây đi qua H (m). Nhiệt độ môi trường t(độ C). Độ cheo cao trung bình của dây dẫn các pha A, B, C h1, h2, h3 (m). Khoảng cách chiều ngang 2 pha ở ngoài so với pha ở dữa d1, d2 (m). Điện áp dây kV. Chiều dài đường dây (km). Trong trường hợp ta cần xác định các thông số của đường dây theo sự biến thiện của số phận pha n, khoảng cách giữa 2 phân pha a thì chỉ cần khai bao các thông số trên là đủ. Sau đó chọn vào “Tính toán”, chọn vào “Cho a, n biến thiên”. Các thông số được tính toán và biểu diễn dưới dạng đồ thị phụ thuộc vào 2 thông số n, a. Lựa chọn vào “Đồ thị” sau đó chọn: “Đồ thị cường độ điện trường”, để hiển thị đồ thị cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn, lựa chọn thêm các thông số với n chạy từ n1 đến n2, và chọn độ phân giải (kích cỡ của đồ thị), sau đó nhấn nút lênh “Emax=f(a,n)”. Nếu chọn n1 = n2 thì trên đồ thị còn xuất hiện thêm đường Evq (E0) là giá trị khởi đầu của phóng điện vầng quang. “Đồ thị điện dung”, để hiển thị đồ thị điện dung đơn vị của đường dây. “Đồ thị điện cảm”, để hiển thị đồ thị điện cảm đơn vị của đường dây. “Công suất tự nhiên”, để hiển thị đồ thị công suất tự nhiên của đường dây. Trong trường hợp ta muốn tính toán các thông số của đường dây, tính tổn thất công suất, điện năng của đường dây khi cho trước các thông số của a và n thì: Trước tiên chọn “Thiết lập”, sau đó chọn “cho a, n cố định”, và khai báo nốt các thông số còn lại gồm: Số phân pha n. Khoảng cách giữa 2 phân pha a (cm). Chiều dài đường dây (km). Thời gian thời tiết tốt Ttốt tính trong một năm (giờ). Thời gian mưa Tmưa tính trong một năm (giờ). Sau khi khai báo các thông số trên ta chọn vào “Tính toán” sau đó chọn “Tinh với a, n cố định” ta có được kết quả hiển thị dưới dạng các thông số định lượng. D, Nhận xét: Bằng cách sử dụng phần mềm trên khảo sát sự phụ thuộc của tổn hao vầng quang vào các thông số của đường dây ta có các nhận xét sau: Xét theo điện áp vận hành: tổn hao vầng quang phụ thuộc rất lớn vào điện áp vận hành khi điện áp dao động trong khoảng 5% thì tổn hao vầng quang cũng dao động trong một khoảng rất lớn. Xét theo số phân pha n: tổn thất công suất do vầng quang giảm khi tăng số phân pha. Xét theo khoảng cách 2 phân pha a: khi tăng a thì núc đầu tổn thất vầng quang giảm mạnh theo a đến giá trị cực tiểu sau đó lại tăng lên khi a tăng. Xét theo hệ số nhám của dây dẫn m: khi hệ số nhám của dây dẫn tăng lên thì tổn thất vầng quang giảm mạnh. Xét theo độ cao so với mặt nước biển H: khi lên cao thì áp suất không khí giảm tổn hao vầng quang tăng nhẹ. Xét theo nhiệt độ môi trường t: khi nhiệt độ môi trường tăng lên thì tổn hao vầng quang có tăng nhẹ. Xét theo độ cheo cao trung bình của dây dẫn h: khi h tăng lên thì tổn hao vầng quang giảm. Xét theo khoảng cách dữa 2 pha: khi khoảng cách 2 pha tăng lên thì tổn thất vầng quang giảm. E, Một số đề xuất để giảm tổn hao vầng quang: Để giảm tổn thất vầng quang trên đường dây siêu cao áp và cực cao áp ta có thể xem xét một số đề suất sau: Sử dụng dây dẫn có độ bóng bề mặt cao, thông thường khi sử dụng dây nhôm lõi thép ACRS có độ bóng bề mặt thấp (0,6 – 0,85). Ta có thể tăng cường độ bóng bề mặt bằng cách sử dụng dây dẫn bện nén. Phương pháp sử dụng dây chịu nhiệt, tăng khoảng cách pha giảm tổn hao vầng quang, sử dụng dây chịu nhiệt tăng khả năng tải, giảm độ võng, vì vậy có thể tăng khoảng cách pha D. Điều chỉnh điện áp vận hành hợp lí hơn để tránh gây tổn hao vầng quang do điện áp tăng cao trong chế độ vận hành non tải. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Minh Chước. Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp, Khoa học kỹ thuật, 2002. Nguyễn Văn Đạm. Mạng lưới điện, Khoa học kỹ thuật, 2003. Trần Bách. Lưới điện và hệ thống điện, Khoa học kỹ thuật, 2002. Trịnh Hùng Thám, Nguyễn Hữu Khái, Đào Quang Thạch, Lã Văn út, Phạm Văn Hòa, Đào Kim Hoa. Nhà máy điện và trạm biến áp, Khoa học kỹ thuật, 2005. Võ Viết Đạn. Giáo trình kỹ thuật điện cao áp, Đại học bách khoa Hà Nội, 1972. Võ Viết Đạn. Một số vấn đề kỹ thuật điên áp cao ở siêu cao áp và cực cao áp, Đại học bách khoa Hà Nội, 1993.