Đề án Mạng điện cao áp - 0677

ở suất tính toán của đất. rđ: điện trở suất đo được của đất. Km : hệ số mùa của đất. Hệ số K phụ thuộc vào dạng điện cực và độ chôn sâu của điện cực. Đối với trạm biến áp ta thiết kế có cấp điện áp 110kV và các cột thu lôi độc lập do đó ta sử dụng hình thức nối đất tập trung để có hiệu quả tản dòng điện tốt nhất. Mặt khác do đặt các cột thu lôi trên xà nên phần nối đất chống sét ta nối chung với mạch vòng nối đất của trạm. II.2- CÁC SỐ LIỆU DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT. Điện trở suất đo được của đất: rđ = 0,95.104 W.cm =0,95.102 W.m. Điện trở nối đất cột đường dây: Rc = 11 W. Dây chống sét sở dụng loại C- 70 có điện trở đơn vị là: Ro =2,38W/km. Chiều dài khoảng vượt đường dây là: Đối với 110kV: l = 190m. Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: Trong đó: a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/ms I: biên độ dòng điện sét I = 150kA tđs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5ms = II.3- TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN. Trạm điện thiết kế có điện áp là 110kV, đây là mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất nên yêu cầu của nối đất an toàn là: R £ 0,5 W. Thành phần điện trở nối đất R gồm hai thành phần: + Điện trở nối đất tự nhiên (Rtn). + Điện trở nối đất nhân tạo (Rnt). Đối với các thiết bị có điểm trung tính trực tiếp nối đất (có dòng chạm đất lớn) thì yêu cầu điện trở nối đất nhân tạo phải có trị số nhỏ hơn 1W. (II – 1 ) (II – 2 ) Vậy điều kiện nối đất là: Từ đó rút ra: II.3.1- Điện trở nối đất tự nhiên. Trong phạm vi đề tài này chúng ta sẽ xét đến nối đất tự nhiên là hệ thống nối đất cột đường dây 110 kV tới trạm áp dụng công thức : Trong đó:Rc là điện trở nối đất của cột điện (Rc=11 W ) Rc s là điện trở của dây chống sét trong 1 khoảng vượt . Rc s =r0cs.L=2,38.190.10-3=0,452( W ) n=2 II.3.2- Điện trở nối đất nhân tạo. Ta sẽ tính toán thiết kế hệ thống nối đất theo điều kiện điện trở nối đất nhân tạo là: Rn.t.yc £ 0,993 W. II.3.3- Tính nối đất nhân tạo của trạm 110kV. Ta sử dụng một mạch vòng nối đất cho trạm 110 kV Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật ABCD có kích thước như sau: Chiều dài l1 = 94m ; Chiều rộng l2 = 36m. Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm như hình (II –2 ): l1 D A l2 C B Hình (II – 2 ): Sơ đồ nối đất mạch vòng có chôn cọc của trạm. Hệ thống nối đất mạch vòng của trạm ta chọn thanh thép dẹt loại ( 40x4 )mm Độ chon sâu của mạch vòng là t = 0,8m Điện trở tản nhân tạo đối với mạch vòng có chôn cọc được xác định theo công thức sau: Trong đó: Rc : là điện trở tản nối đất của cọc (W). Rm.v : là điện trở tản nối đất của mạch vòng (W). n : là số cọc sử dụng. hm.v và hc : tương ứng là hệ số sử dụng mạch vòng, sử dụng cọc phụ thuộc vào số cọc và tỷ số Tính điện trở của mạch vòng quanh trạm Rm.v : Trong đó: r = rđo.Kmùa (thanh) là điện trở suất tính toán của mạch vòng.Tra bảng (2–1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: Kmùa (thanh) = 1,6 vậy r = r.1,6 = 0,95.1,6.102=1,52.102 (W.m). L là chu vi mạch vòng: L = 2.(l1 + l2) = 2.(94+36) = 260m. d là đường kính thanh nối: d = b/2 = 0,04/2 = 0,02m t là độ chôn sâu (để đảm bảo cho r ổn định ) : t = 0,8m. k là hệ số phụ thuộc hình dạng của hệ thống nối đất . Ta có: Tra bảng (2 – 5) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” được k =8,38. Thay số vào biểu thức (II – 3) ta có: Ta nhận thấy điện trở của mạch vòng xung quanh trạm lớn hơn điện trở nhân tạo cần thiết khi thiết kế (Rnđ = 0,993 W).Vậy phải dùng thêm số cọc vào hệ thống mạch vòng để giảm trị số điện trở nối đất của hệ thống. Qua kết quả tính toán Rm.v chứng tỏ rằng ta chọn hình thức nối đất an toàn bằng mạch vòng có chôn cọc là hợp lý. Tính điện trở nối đất của một cọc (dùng cọc sắt góc L ). Đối với cọc điện trở tản xoay chiều được xác định theo công thức sau: t' 0,8m l Hình (II – 4): Các kích thước nối đất cọc Trong đó: Cọc có kích thước: l = 3m. r là điện trở suất của đất đối với cọc: r = rđo.Kmùa (cọc) . rđo =0,9.102 (W.m); Kmùa (cọc) = 1,4. (Tra bảng (2-1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”) à r = 0,95.102.1,4 = 1,33.102 (W.m). d là đường kính cọc (m) được tính như sau: d = 5. 10-2m. t là độ chôn sâu: t = 0,8m. Giá trị t/ được tính: Thay số liệu vào (II – 5 ) ta có: Vậy điện trở của một cọc là 43,87 W. Sau khi tính được Rc và Rmv ta tính điện trở nhân tạo theo công thức (II–3) . Trong công thức này ta chỉ mới biết Rc và R mv vậy ta phải tìm số cọc để Rnt đạt giá trị nhỏ nhất và phải đảm bảo nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tính toán cho phép Rnt £ 0,993 W. hmv và hc phụ thuộc số cọc ta sử dụng trong mạch vòng. Ta xét từng trường hợp theo tỷ số với các thông số là: L (chu vi mạch vòng) = 260m. cách giữa các cọc a = 2.l =6m. Ta có số cọc chôn theo chu vi mạch vòng là: cọc. Do vậy ta chọn 50 cọc l (chiều dài cọc) = 3 m. * Khi (có nghĩa là khoảng ta chọn 50 cọc Tra bảng 4 phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: hc = 0,58. Theo bảng 6 trong phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: hthanh = 0,28. Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là: Vậy Rnt1>Rnt yc=0,928 Phương án này không đảm bảo yêu cầu. * Khi (có nghĩa là khoảng cách giữa các cọc a = l =3m. Ta có số cọc chôn theo chu vi mạch vòng là: cọc.Do vậy ta chọn 100 cọc Tra bảng 4 phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: hc = 0,39. Theo bảng 6 trong phần phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” ta có: hthanh = 0,19. Điện trở nhân tạo trong trường hợp này là: Vậy Rnt2<Rnt yc=0,993 Phương án này đảm bảo yêu cầu do giá trị điện trở nối đất nhỏ hơn giá trị điện trở yêu cầu. Vậy ta chọn Rn.t(2) = 0,974 W. Số cọc là 100 cọc. Khoảng cách giữa các cọc là a = 3 m. * Ngoài việc nối đất cho phía 110 kV thì ta có thể nối đất cho các cột thu lôi độc lập hoặc ta cần tính toán nói đất làm việc cho phía hạ áp 22 kV . II _3 : Ở đây ta sẽ tính toán nối đất làm việc cho phía hạ áp 22 kV : Yêu cầu nối đất an toàn phía 22 kV là :Ryc£ 4 W Mạch vòng bao quanh trạm có hình chữ nhật EFGH có kích thước như sau: l1 F E l2 H G Hình (II – 3 ): Sơ đồ nối đất mạch vòng Chiều dài l1 = 35m ; Chiều rộng l2 = 20m. Kmùa (thanh) = 1,6 vậy r = r.1,6 = 0,9.1,6.102=1,44.102 (W.m). L là chu vi mạch vòng: L = 2.(l1 + l2) = 2.(35+20) = 110m. d là đường kính thanh nối: d = b/2 = 50/2 = 25 (m.m) = 2,5.10-2 m. t là độ chôn sâu (để đảm bảo cho r ổn định ) : t = 0,8m. k là hệ số phụ thuộc hình dạng của hệ thống nối đất . Ta có: Tra bảng (2 – 5) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA” được k =6,78. Thay số vào biểu thức (II – 3) ta có: Rn t=Rmv=1,317 (W) < Ryc= 4 (W) II.4- TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT. Tính toán nối đất chống sét cho phía 110 kV Khi có dòng điện sét đi vào bộ phận nối đất, nếu tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì trong thời gian đầu điện cảm sẽ ngăn cản không cho dòng điện đi tới các phần cuối của điện cực khiến cho điện áp phân bố không đều, sau một thời gian, ảnh hưởng của điện cảm mất dần và điện áp phân bố sẽ đều hơn. Thời gian của quá trình quá độ nói trên phụ thuộc vào hằng số thời gian. T =L.g.l2 (II – 6 ) Từ (II–6) ta thấy: T tỷ lệ với trị số điện cảm tổng L.l và điện dẫn tổng của điện cực. Từ biểu thức (II–6) ta thấy khi dòng điện tản trong đất là dòng điện một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp thì ảnh hưởng của L không đáng kể và bất kỳ hình thức nối đất nào ( thẳng đứng hoặc nằm ngang ) cũng đều biểu thị bởi trị số điện trở tản. Khi dòng điện tản trong đất là dòng điện sét, tham số biểu thị của nối đất tuỳ thuộc vào tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian đầu sóng của dòng điện. Khi T<< tđ.s (khi dòng điện đạt trị số cực đại) thì cần xét quá trình quá độ đã kết thúc và nối đất thể hiện như một điện trở tản. Trường hợp này ứng với các hình thức nối đất dùng cọc hoặc thanh có chiều dài không lớn lắm và goị là nối đất tập trung. Nếu điện cực dài, hằng số thời gian có thể đạt tới mức tđ.s và tại thời điểm dòng điện đạt trị số cực đại, quá trình quá độ chưa kết thúc và như đã phân tích tác dụng của điện cảm, nối đất sẽ thể hiện như một tổng trở Z có giá trị rất lớn so với điện trở tản. Trường hợp này gọi là nối đất phân bố dài. Trong tính toán thiết kế trạm biến áp 110kV, thường thì phần nối đất nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm. Như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dài, tổng trở xung kích Zx.k có thể lớn gấp nhiều lần so với điện trở tản xoay chiều làm tăng điện áp giáng trên bộ phận nối đất và có thể gây phóng điện ngược đến các phần mang điện của trạm. Do đó ta phải tính toán, kiểm tra theo yêu cầu của nối đất chống sét trong trường hợp có dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất. II.4.1- Dạng sóng tính toán của dòng điện sét. Trong tính toán thiết kế ta chọn sóng tính toán của dòng điện sét là dạng sóng xiên góc có biên độ không đổi (xem hình II-1) . Dạng sóng tính toán của dòng điện sét: + Is = a.t khi t < tđs + Is = I khi t ³ tđs Trong đó: + a: độ dốc dòng điện sét a = 30kA/ms + I: biên độ dòng điện sét I = 150kA + tđs: thời gian đầu sóng lấy bằng 5ms ; II.4.2-Yêucầu kiểm tra Ta kiểm tra theo điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cho cách điện của máy biến áp : I.Z(0, tđ.s ) £ U0,5. Trong đó: I : là trị số dòng điện sét lấy bằng 150kV. Z(0, tđ.s ): là tổng trở xung kích nối đất tại thời điểm ngay chỗ dòng điện sét đi vào điện cực. U0,5 : trị số điện áp phóng điện xung kích bé nhất của máy biến áp U0,5 (MBA) = 460kV. II.4.3-Tính toán lại trị số điện trở nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét. Do việc dùng hệ thống nối đất an toàn phía 110 kV làm hệ thống nối đất chống sét nên ta phải tính toán lại trị số điện trở nối đất nhân tạo theo yêu cầu nối đất chống sét. Tra bảng 19- 2 sách kỹ thuật điện cao áp ta chọn hệ số mùa sét là: Km.v = 1,2 ; Kcoc = 1,15. Dựa vào công thức (II-4);(II-5) thấy Rm.v và Rcoc. sẽ tỷ lệ thuận với kmùa , do r đo không đổi. Vậy điện trở của mạch vòng là: Điện trở của cọc là: Điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: Trong đó: Rm.v và Rcọc ta vừa tính được. n là số cọc đã tính được n = 100 cọc hcọc và hm.v đã tính được ở phần nối đất nhân tạo ứng với n = 100 cọc ta có hcọc = 0,39. ; hm.v = 0,19. Vậy: Vậy điện trở nối đất nhân tạo tính cho nối đất chống sét là: Rn.t sét =0,8W. II.4.4- Tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét Z(0; tđ.s). Để tính tổng trở đầu vào của nối đất chống sét ta xét các điều kiện sau: + Bỏ qua nối đất tư nhiên. + Bỏ qua các thanh nối cân bằng điện áp trong trạm biến áp. + Trong tính toán, để đơn giản ta bỏ qua quá trình phóng điện tia lửa trong đất và giả thiết điện trở suất của đất không đổi. + Bỏ qua thành phần điện trở, điện dung của điện cực nối đất vì trở rất nhỏ so với thành phần điện kháng và điện dẫn ứng với tần số dòng điện sét. Ta xem mạch nối vòng đất gồm hai tia dài ghép song song với nhau. l =L/2 Hình (II – 6): Mạch vòng nối đất gồm hai tia dài ghép song song Ta có sơ đồ thay thế: Hình (II–7): Sơ đồ thay thế của mỗi tia. Với L và g là điện cảm và điện dẫn trên một đơn vị dài. R là điện trở nối đất ổn định của cực nối đất R = 0,8W. Với r là bán kính cực nối đất: Thay số vào ta có: Vì điện dẫn ghép song song nên ta có: Tính toán phân bố dài khi không xét quá trình phóng điện trong đất. Từ sơ đồ thay thế có thể thành lập được hệ phương trình vi phân: Giải hệ phương trình trên ta được điện áp tại điểm bất kỳ và thời điểm bất kỳ trên điện cực. Với hằng số thời gian Ta có nên . Từ đó suy ra tổng trở xung kích ở hai đầu vào nối đất: Tổng trở xung kích của nối đất ở đầu vào thời điểm t = tđ.s và xét tới hai tia ghép song song là: Để tính Z(0, tđ.s) xét chuỗi: Vì : e-3 =0,05 ; e-4 =0,018 ; e-5 = 0,0067 ; e-6 = 0,00247 Nên ta chỉ xét đến e-4. Từ e-4 rất bé so với số hạng trước nên ta có thể bỏ qua, tức là tính với k sao cho Ta có nên . Vậy: Hệ số K là nguyên dương nên ta có: Với: tđ.s = 5ms, ta có: Như vậy ta sẽ tính toán với K nhỏ nhất là 4. Ta có các kết quả như bảng (II – 1 ): k 1 2 3 4 Tk 13,58 3,395 1,509 0,849 0,368 1,473 3,313 5,889 0,7351 0,2920 0,0627 0,0072 /k2 0,7351 0,073 0,0070 0,0005 Từ bảng (II – 1 ) ta tính được: Và ta tính được Thay các giá trị vào (II – 11) ta được: Kiểm tra điều kiện nhằm đảm bảo an toàn cách điện cho máy biến áp với các giá trị : I =m .150kA ; Z(0, tđ.s) = 3,021W. Ứng với 2 giá trị trên tại thời điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất thì thế tại điểm dòng điện sét đi vào là: Usét = I. Z(0, tđ.s) = 150.3,021= 453,15kV. Vậy Usét = 453,15kV < U50% = 460kV. Nhận xét: Do điện trở nối đất đạt yêu cầu nên không phải nối đất bổ xung cho hệ thống chống sét. B , Tính toán nối đất chống sét cho phía 22 kV Trạm 22 kV là trạm được thiết kế gồm có : các đường cáp ngầm được lấy từ phía 22 kV của MBA 110 kV , được dẫn vào bộ tủ phân phối được đặt trong nhà . Do vậy để bảo vệ nối đất chống sét 22 kV ta dùng nối đất cho các cột thu sét và dòng sét được tản xuống đất nhờ vào hệ thống nối đất kiểu tia và cọc được nối với nhau . t' 0,8m l Hình (II – 4): Các kích thước nối đất cọc Trong đó: Chiều dàI của cọc l = 2,5m và cọc được làm bằng thép góc 40x40x4mm b = 40mm ( bề rộng của cọc ) r là điện trở suất của đất đối với cọc: r = rđo.Kmùa (cọc) . rđo =0,95.102 (W.m); Kmùa (cọc) = 1,4. (Tra bảng (2-1) sách “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA”) à r = 0,95.102.1,4 = 1,33.102 (W.m). d là đường kính cọc (m) được tính như sau: d = 0,038m. t là độ chôn sâu: t = 0,8m. Giá trị t/ được tính: Thay số liệu vào (II – 5 ) ta có: Tính đIện trở thanh nằm ngang làm bằng thép dẹt : Rt = t _ độ chôn sâu : t = 0,8 k _ hệ số hình dạng ( tia ngang ) d _ là đường kính quy đổi của thanh thép dẹt với b = 40mm Vậy d = a _ độ dài của thanh : a = 10m Vậy : Rt = Ngoài ra phía 22 kV thì hệ thống nối đất chống sét phải nối đất riêng biệt với nối đất an toàn . Hệ thống nối đất phải đảm bảo đIều kiện không gây phóng điện từ hệ thống nối đất chống sét sang hệ thống nối đất an toàn từ cột thu sét sang thiết bị . Để không gây phóng đIện trong không khí thì yêu cầu khoảng cách : SKK > 5m ; Sđất > 3m Trong tính toán dòng đIện sét IS = 150 KA và = 30 KA/ Cho nên UK < Ud < Có : UK = 150.RXK + 501 Ud = 150.RXK Vậy : SK > Sd > Lấy : Trị số đIện cảm theo đon vị dài có trị số L0 = 1,7 Do đó : SK > 0,3.RXK + 0,11 Sd > 0,5.RXK Từ cách bố trí cột ta có : Sd = 5m Vậy RXK = Vì vậy ta phảI tính toán thiết kế sao cho RXK < 10 mới đạt yêu cầu kỹ thuật . Ta có sơ đồ thay thế : Có IS = 3IC + 2IT Ud = Rxk . IS = Ud = Tính toán Ud bằng phương pháp đồ thị Trị số xung kích cọc xkc Tra bảng 9 _ trang 86 ( sách hướng dãn thiết kế tốt nghiệp ) ta có : 5 KA 0,87 10 KA 0,8 IS = 20 KA = 0,71 40 KA 0,57 Trị số xung kích của thanh 5 KA 0,75 10 KA 1 IS = 20 KA = 0,9 40 KA 0,8 Trị số nxk từ bảng 10 trang 87 sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp , ta tra đượ hệ số sử dụng với dòng xung kích là 0,8 . Từ các giá trị IS (KA) ta tính được giá trị UdT và UdC tương ứng với chúng : IS ( KA ) 10 20 30 0,8 0,71 0,57 Rxkc ( ) 30,36 26,95 21,63 UĐ( c ) (KV) 360,67 652,58 1236,14 1 0,9 0,8 Rxkc ( ) 15,6 14,04 12,48 UĐ( t) (KV) 234,41 382,18 684,4 Với giá trị IC = 10,20,40 KA ta dóng lên đường cong UĐC rồi sẻ ngang cắt đường UĐt và hạ vuông góc với trục I ta được các giá trị IT và IS cho các trường hợp : IS = 3 IC + It Uđc ( KV ) 360,67 652,58 1236,14 Ic ( KA ) 10 20 40 It ( KA ) 18,4 39,2 67 Is ( KA ) 66 138 260 Từ các giá trị UĐC và IS ta sẽ thu được đồ thị quan hệ giữa Ud và ta xác định được Ud bằng cách tính từ I= 150 KA dóng lên đồ thị và dóng sang trục U ta có : Ud = 998,73 KV Vậy điện trở xung kích là : Rxk = Vậy điện trở xung kích Rxk = 6,658 < 10 đã đạt yêu cầu đề ra . Nếu không đạt thì ta phải tính toán lại khoảng cách phóng điện trong đất giữa nối đất an toàn và nối đất chống sét . * Kết luận : Trong tính toán nối đất cho TBA 110/22 kV Văn Điển thì ta có thể tổng kết như sau : + Phía 110 kV thì các thiết bị của trạm đều được nói đất Nối đất an toàn gồm có nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo . Trạm được thiết kế có dây chống sét để bảo vệ sét đánh trục tiếp vào đường dây và các thiết bị trong trạm , phần điện trở nối đất tự nhiên là điện trở của hệ thống dây chống sét cột như ta đã tính được hệ thống nối đất nhân tạo ta dùng mạch vòng hình chữ nhật có kích thước L = 260m , mạch vòng ta dùng thanh thép dẹt 40x4, được chôn sâu t = 0,8m , do không đạt trị số điện trở theo yêu cầu nên ta phải đóng thêm cọc dọc theo mạch vòng nhằm mục đích giảm đIện trở của hệ thống nối đất ( số cọc phải đóng thêm là 100 cọc ) Mỗi cọc dài 3m , gồm các thanh sắt góc L 50x50 được chôn sâu cách mặt đất 0,8m. Nhờ đó trạm được bảo vệ một cách an toàn cho người và các thiết bị trong trạm . + Phía 22kV gồm có các tủ phân phối được đặt trong nhà nên nối đất an toàn cho phía 22 kV ta dùng mạch vòng hình chữ nhật có chu vi L = với bề rộng của thép dùng làm mạch vòng b = 0,05m , chôn sâu cách mặt đất t = 0,8m Điện trở mạch vòng Rmv = đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nên không phải đóng thêm cọc . b . Về tính toán nối đất chống sét cho trạm : + Trạm 110 kV bộ phận thu sét được đặt trên xà cho nên phần nối đất chống sét buộc phải nối chung với mạch vòng nối đất an toàn của trạm như vậy sẽ gặp trường hợp nối đất phân bố dài và tổng trở Zxk có thể rất lớn và lớn hơn rất nhiều so với đIện trở xoay chiều . Do đó ta phải tính toán , kiểm tra yêu cầu của nối đất chống sét trường hợp có dòng sét đi vào hệ thống nối đất . + Phía 22 kV thì nối đất chống sét tách riêng biệt với nối đất an toàn và khoảng cách phóng điện trong đất Sđ > 3m , trong không khí SK > 5m . Để dẫn dòng điện sét từ cột thu lôi xuống đất nhờ có đóng cọc kiểu tia _ cọc được nối với nhau . Cọc được đóng bằng thép góc L 40x40x4mm , chiều dài cọc là 2,5m , độ chôn sâu t = 2,05m , Rc = 37,95W Thanh được dùng bằng thép dẹt b = 40mm , độ dài thanh là 10m , độ chôn sâu t = 0,8m , Rc = 15,6W II.5- KẾT LUẬN. Hệ thống nối đất đã thiết kế ở trên đảm bảo an toàn cho toàn bộ thiết bị trạm khi có sét đánh trực tiếp vào trạm .Qua kết quả tính toán ở trên ta thấy rằng mạch vòng nối đất nhân tạo như đã thiết kế tính toán thoả mãn được các yêu cầu kỹ thuật của nối đất an toàn và nối đất làm việc cũng như nối đất chống sét. ChươngIII: TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY Đường dây trong HTĐ làm nhiệm vụ truyền tải điện năng đến các hộ dùng điện. Đường dây là phần tử phải hứng chịu nhiều phóng điện sét nhất so với các phần tử khác trong HTĐ. Khi đường dây bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sét lớn tới mức làm cho quá điện áp xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kích của cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch đường dây, buộc máy cắt đầu đường dây phải tác động. Như vậy việc cung cấp điện bị gián đoạn. Nếu điện áp nhỏ hơn trị số phóng điện xung kích của cách điện đường dây thì sóng sét sẽ truyền từ đường dây vào trạm biến áp và sẽ dẫn tới các sự cố trầm trọng tại trạm biến áp. Mặt khác việc bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối cũng không thể thực hiện được vì vốn vào đường dây quá lớn như tăng cường cách điện đường dây , đặt thiết bị bảo vệ chống sét… Vì vậy bảo vệ chống sét cho đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế kết hợp với yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu cung cấp điện của đường dây đó. III.1- LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN. III.1.1- Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét được thể hiện như ( hình III-1 ) Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h2 cũng được tính theo công thức sau: + Khi hx > 2/3h thì bx = 0,6h (1-hx/h ) (III – 1) + Khi hx £ h thì bx = 1,2h (1- hx/0,8h ) (III – 2) Chiều dài của phạm vi bảo vệ dọc theo chiều dài đường dây như hình (III– 2 ). Có thể tính toán được trị số giới hạn của góc a là a = 310, nhưng trong thực tế thường lấy khoảng a = 20 0 ¸ 250. III.1.2- Xác suất phóng điện sét và số lần cắt điện do sét đánh vào đường dây. Với độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét ) là h, đường dây sẽ thu hút về phía mình các phóng điện của sét trên dải đất có chiều rộng là 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây (l). Từ số lần phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1 km2 ứng với một ngày sét là 0,1¸0,15 ta có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng vào đường dây (dây dẫn hoặc dây chống sét). N =(0,6¸0,9). h .10-3.l.nng.s (III – 3) Trong đó: + h: độ cao trung bình của dây dẫn hoặc dây chống sét (m). + l: chiều dài đường dây (km ). + nng. s:số ngày sét /năm trong khu vực có đường dây đi qua. Vì các tham số của phóng điện sét : biên độ dòng điện (Is) và độ dốc của dòng điện (a = dis /dt), có thể có nhiều trị số khác nhau, do đó không phải tất cả các lần có sét đánh lên đường dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện. Chỉ có phóng điện trên cách điện của đường dây nếu quá điện áp khí quyển có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đường dây. Khả năng phóng điện được biểu thị bởi xác suất phóng điện ( Vp đ ). Số lần xảy ra phóng điện sẽ là: Npđ = N. Vpđ = ( 0,6¸0,9 ). h . 10-3. l . nng s. Vpđ . ( III – 4 ) Vì thời gian tác dụng lên quá điện áp khí quyển rất ngắn khoảng 100 ms mà thời gian của các bảo vệ rơle thường không bé quá một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là khoảng 0,01s. Do đó không phải cứ có phóng điện trên cách điện là đường dây bị cắt ra. Đường dây chỉ bị cắt ra khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện trở thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của đường dây đó. Xác suất hình thành hồ quang (h ) phụ thuộc vào Gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện : h = ¦(Elv) ; Elv = Ulv/lpđ (kV/m ). Trong đó: + h: xác suất hình thành hồ quang. + Ulv: điện áp làm việc của đường dây ( kV ). + lpđ: chiều dài phóng điện ( m). Do đó số lần cắt điện do sét của đường dây là: ncđ = Npđ. h. = (0,6¸0,9). h. nng .s. Vpđ. h. (III – 5) Để so sánh khả năng chịu sét của đường dây có các tham số khác nhau, đi qua các vùng có cường độ hoạt động của sét khác nhau người ta tính trị số " suất cắt đường dây" tức là số lần cắt do sét khi đường dây có chiều dài 100km. ncđ = ( 0,06¸0,09). h. nng s. Vpđ .h. (III – 6) Đường dây bị tác dụng của sét bởi ba nguyên nhân sau: + Sét đánh thẳng vào đỉnh cột hoặc dây chống sét lân cận đỉnh cột. + Sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. + sét đánh vào khoảng dây chống sét ở giữa khoảng cột. Cũng có khi sét đánh xuống mặt đất gần đường dây gây quá điện áp cảm ứng trên đường dây, nhưng trường hợp này không nguy hiểm bằng ba trường hợp trên. Khi đường dây bị sét đánh trực tiếp sẽ phải chịu đựng toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, do vậy sẽ tính toán dây chống sét cho đường dây với ba trường hợp trên. Cuối cùng ta có số lần cắt do sét của đường dây. ncđ = nc + nkv + ndd ( III – 7) Trong đó: + nc : số lần cắt do sét đánh vào đỉnh cột. +nkv: số lần cắt do sét đánh vào khoảng vượt. + ndd: số lần cắt do sét đánh vào dây dẫn. III.1.2.1 - Các số liệu chuẩn bị cho tính toán. Đường dây tính toán l = 100km. Xà đỡ kiểu cây thông, lắp trên cột bê tông đơn. Dây chống sét treo tại đỉnh cột. Dây dẫn được treo bởi chuỗi sứ P- 4,5 gồm 7 bát sứ, mỗi bát sứ cao170mm. Dây chống sét dùng dây thép C-70 có d = 11mm ; r = 5,5mm. Dây dẫn dùng dây AC-150mm có d = 17mm; r = 8,5mm. Khoảng vượt là 190m. III.1.2.2 - Xác định độ treo cao trung bình của dây chống sét và dây dẫn. Độ treo cao trung bình của dây được xác định theo công thức: hdd = h – 2/3f . (III – 8) Trong đó: + h: độ cao của dây tại đỉnh cột hay tại khoá néo của chuỗi sứ. + f: độ võng của dây chống sét hay dây dẫn. l: chiều dài khoảng vượt của đường dây = 190m. fdd = 3,5 m fcs = 3 m. Độ treo cao trung bình của dây dẫn theo (3-8) là: hddcs = hcs – 2/3 fcs = 18,84 - 2/3.3,5 = 16,5 m hddtbA = hddA – 2/3 fdd = 14 - 2/3.3 =12 m hddtbB = hddB – 2/3 fdd = 11 - 2/3.3,5 = 9 m. III.1.2.3- Tổng trở sóng của dây chống sét và dây dẫn. Zdd = 60.ln (2.hdd / r). ( III– 10 ) ZddA = 60. ln [ ( 2. 12) / (8,5. 10-3 ) ] = 476,75 W. ZddB = 60. ln [ ( 2. 9 ) / ( 8,5. 10-3 ) ] = 459,48 W. Với dây chống sét ta phải tính tổng trở khi có vầng quang và khi không có vầng quang. + Khi không có vầng quang: Zdcs =60. ln [ ( 2. 16,5 ) / ( 5,5. 10-3 )] = 521,97 W + Khi có vầng quang, ta phải chia Zdcs cho hệ số hiệu chỉnh vầng quang. l = 1,3 ( tra bảng 3-3 sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp). Zdvqcs = Zdcs / l = 521,97/1,3 = 401,52 W. III.1.2.4 - Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn chống sét với các dây pha. Công thức (III – 11) được xác định theo hình (III – 4). Trong đó: + h2: độ cao trung bình của dây chống sét. + D12: khoảng cách giữa dây pha và ảnh của dây chống sét. + d12: khoảng cách giữa dây chống sét và dây pha. + h1: độ cao trung bình của dây dẫn pha. + l: hệ số hiệu chỉnh vầng quang (l = 1,3) Theo kết quả tính trước ta có: hddA = 12 m ; hddB = hddC = 9 m ; hddcs = 16,5 m. Áp dụng định lý Pitago ta có khoảng cách từ dây chống sét đến các dây pha và từ dây pha đến ảnh của dây chống sét như hình ( III – 5). Với pha A: Với pha B,C: Hệ số ngẫu hợp giữa pha A và dây chống sét : áp dụng công thức (III – 11): Khi có vầng quang: KA-csvq = KA-cs. l = 1,3. 0,17251 = 0,224. Hệ số ngẫu hợp pha B (hoặc pha C )với dây chống sét: Khi có vầng quang : III.1.2.5- Góc bảo vệ chống sét của các pha . Từ hình (III – 2 ) ta có: III.1.2.6- Số lần sét đánh vào đường dây. Áp dụng công thức (III-4) với l = 100km ; hddcs = 16,5 m ; nng.s= 80ngày/ năm ; mật độ sét = 0,15. Ta có: N = 0,15. 6 . 16,5. 70. 100. 10-3 = 120 lần/ 100km. năm. Từ cơ sở lý thuyết và các kết quả trên ta tiến hành tính toán suất cắt cho đường dây với ba khả năng đã nêu đối với đường 110kV. III.2 - TÍNH SUẤT CẮT CỦA ĐƯỜNG DÂY110KV DO SÉT ĐÁNH : Ta biết khi đường dây không có dây chống sét thì số lần sét đánh vào dây dẫn là toàn bộ số lần sét đánh vào đường dây , tuy nhiên các loại đường dây như trên không được sử dụng bởi vì số lần cắt do sét đánh quá lớn . Chính vì vậy đường dây không có dây chống sét thường chỉ áp dụng cho đường dây 35 kV ( trung tính không nối đất ) hoặc 110 kV cột gỗ . Trong trường này vì là đường dây 110 kV cột sắt nên ta sử dụng đường dây có treo dây chống sét .Tùy theo vị trí sét đánh , quá điện áp xuất hiện trên cách điện của đường dây có trị số khác nhau . Người ta phân biệt số lần sét đánh trực tiếp váo dây chống sét gồm có : III.2.1 - TÍNH SUẤT CẮT CỦA ĐƯỜNG DÂY 110KV DO SÉT ĐÁNH VÒNG QUA DÂY CHỐNG SÉT VÀO DÂY DẪN. Đường dây có U ≥ 110kV được bảo vệ bằng dây chống sét, tuy vậy vẫn có những trường hợp sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. Tuy xác suất này nhỏ nhưng vẫn được xác định bởi công thức sau: (III-12) Trong đó: a: góc bảo vệ của dây chống sét ( độ). hcs : chiều cao cột đỡ dây chống sét ( m). Khi dây dẫn bị sét đánh, dòng trên dây dẫn là IS/4, vì mạch của khe sét sẽ được nối với tổng trở sóng của dây dẫn có trị số như hình (III – 6 ) Có thể coi dây dẫn hai phía ghép song song và Zdd = (400¸500) W nên dòng điện sét giảm đi nhiều so với khi sét đánh vào nơi có nối đất tốt. Ta có dòng điện sét ở nơi đánh là: Z0: Tổng trở sóng của khe sét. Điện áp lúc đó trên dây dẫn là: (III-14) Khi Udd ³ U50%s của chuỗi sứ thì có phóng điện trên cách điện gây sự cố ngắn mạch 1 pha N(1 ) từ ( III – 14) ta có thể viết: Hay độ lớn của dòng điện sét có thể gây nên phóng điện trên cách điện là: Ta có xác suất phóng điện trên cách điện là: Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn: Na = N. Va (III – 16) Trong đó: N: tổng số lần phóng điện sét của 100 km đường dây đã được xác định tại mục III.1.2.6 là: 120 lần / 100km. năm. Va: Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn được xác định theo ( III – 12) Xác suất hình thành hồ quang h phụ thuộc vào gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện ( Elv): + lpđ: Chiều dài đường phóng điện lấy bằng chiều dài chuỗi sứ ( m ). + Ulv: Điện áp pha của đường dây. Dựa vào bảng (21 – 1) sách “giáo trình kỹ thuật điện cao áp” có: h = 0,48 Bảng III – 1: Xác định hình thành hồ quang: 50 30 20 10 h (đơn vị tương đối) 0,6 0,45 0,25 0,1 Ta có suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn: ndd = Nva. vpđh (III – 18) Từ ( III – 18) ta thấy va và vpđ đều phụ thuộc tỷ lệ chiều cao cột h hay độ cao dây dẫn và góc bảo vệ a, độ cao dây dẫn tăng hoặc a tăng đều làm cho ndd tăng, vậy ta chọn pha A là pha có góc bảo vệ a lớn nhất và hddA lớn hơn so với pha B và pha C để tính suất cắt cho đường dây. Pha A có aA = 20,64 0; hddA = 11,67m. ZddA = 475,07 W ; hcs= 18,84m. Thay các số liệu trên vào công thức ( III – 12 ) ta có: Xác suất phóng điện trên cách điện pha A theo công thức ( III – 15 ) U50%c = 660kV đối với đường dây 110kV [ tra bảng ( 9 – 5) Kỹ thuật điện cao áp ]. Thay số vào (III – 18 ) ta có : h ndd = 120. 0,99.10-3. 0,808. 0,48 = 0,04646 lần / 100km. năm. III.2.2- TÍNH SUẤT CẮT CỦA ĐƯỜNG DÂY 110KV DO SÉT ĐÁNH VÀO KHOẢNG VƯỢT. Theo sách “hướng dẫn thiết kế Kỹ thuật điện cao áp” thì số lần sét đánh vào khoảng vượt là: Nkv= N / 2 ( III – 19) Trong đó: N là số lần sét đánh vào đường dây đã được tính ở trên mục (III.1.4) N = 120 lần / 100km. năm. Vậy Nkv = 120 / 2 = 60 lần / 100km. năm. Trong 60 lần sét đánh vào khoảng vượt thì xác suất hình thành hồ quang khi phóng điện đã được xác định tại mục [ III.2 ] được h =0,48. Suất cắt của đường dây 110kV do sét đánh vào khoảng vượt như sau: nkv = Nkv. Vpđ. h (III– 20) Để tính Vpđ ta phải xác định xác suất phóng điện trên cách điện của đường dây. III.2.3.1- Phương pháp xác định Vpđ. Ta coi dòng điện sét có dạng xiên gócvới biên độ Is = a. t. Quá điện áp sét xuất hiện trên cách điện của đường dây gồm hai thành phần: Trong đó: + là thành phần quá điện áp do dòng sét gây ra phụ thuộc vào biên độ (I) và độ dốc sét (a). + Ulv : điện áp làm việc của đường dây Xác suất các dòng điện sét có biên độ I ³ Is và độ dốc a ³ as là: (III – 22) Tại thời điểm ti nào đó điện áp trên cách điện lớn hơn hoặc bằng điện áp chịu đựng cho phép của cách điện, lấy theo đặc tính vôn – giây (V- S) của chuỗi sứ, thì phóng điện sẽ xảy ra: ( III – 23) Upđ(ti) điện áp phóng điện lấy theo đặc tính vôn giây ( V – S ) tại ti . Do coi dòng điện có dạng I = a. t thì thành phần Ucđ' (I,a) tỷ lệ với độ dốc a. có thể đặt: Ucđ' (I,a) = Z.a (III – 24) Vậy: Upđ (ti) = Z.ai + Ulv (III – 25) Hay ta có độ dốc đầu sóng nguy hiểm ai tại thời điểm ti: (III – 26) Z là hằng số đối với I và a nên có thể tính được: (III – 27) Từ ( 2 – 26 ) và ( 2 – 27 ) ta có: (III – 28 ) Mặt khác ta có : Dựa vào các cặp (Ii,ai ) vẽ đường cong nguy hiểm hình (III– 8) Xác suất phóng điện được tính theo xác suất xuất hiện ở miền bên phải phía trên đường cong nguy hiểm ở hình (III– 8) Từ đường cong nguy hiểm ta có thể xác định được: , với: Bằng phương pháp gần đúng và tuyến tính hoá đường cong nguy hiểm chia đường cong thành: n = ( 10 ¸ 15 ) khoảng, ta có: ( III– 29) Sau khi xác định được Vpđ , thay số vào ( III – 20 ) ta có suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt của đường dây 110kV. III.2.3.2- Trình tự tính toán. Để đơn giản hoá trong tính toán, coi như sét đánh vào khoảng giữa của dây chống sét trong khoảng vượt, khi đó dòng điện sét được chia đều cho hai phía của dây chống sét như hình (III – 9 ). Như giả thiết dòng điện sét có dạng xiên góc: Ta sẽ tính toán Is ứng với các giá trị trong bảng (III – 1) sau đây: a(kA / ms) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t (ms) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Điện áp trên dây chống sét tại đỉnh cột có trị số Ucs là: ( III– 30 ) Trong đó: + Rc: điện trở nối đất cột + Lc: điện trở thân cột tính theo chiều cao vị trí dây chống sét. Lc = hcs. L0 L0: điện cảm đơn vị dài của cột ( L0 = 0,6 mH/m ) Với hcs = 16,2m ta có Lc=18,84.0,6 = 11,304 mH Điện áp trên dây dẫn là Udd có kể đến ảnh hưởng của vầng quang: Udd = - Kvq.Ucs + Ulv Trong đó: + Ulv là điện áp trung bình của pha. Kvq: hệ số ngẫu hợp của dây dẫn pha với dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang. Điện áp đặt trên chuỗi cách điện là tổng đại số của Udd và Ucs: Ucđ = Ucs + Udd = Ucs- Kvq. Ucs + Ulv ( III – 31 ) (III –32 ) Ucđ = Ucs. (1- Kvq ) + Ulv Từ biểu thức (III – 32 ) ta thấy khi Kvq nhỏ thì Ucđ lớn do vậy theo tài liệu “hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp cao áp” thì khi tính toán phải tính với pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ nhất ở mục (III.1.3.3 ) ta có: Ta tính Ucđ với Kvq = 0,147; Rc = 11 W. Ucđ = a/2. (11 t + 11,304 ). (1- 0,147) + 57,17 (kV) Cho các giá trị a khác nhau ta tính được điện áp đặt lên chuỗi cách điện của đường dây như trên bảng ( III– 2 ) a t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 148 191 233 276 319 361 404 447 489 532 20 239 324 409 495 580 665 751 836 921 1007 30 330 458 586 714 842 970 1097 1225 1353 1481 40 421 591 762 932 1103 1274 1444 1615 1785 1956 50 511 725 938 1151 1364 1578 1791 2004 2217 2431 60 602 858 1114 1370 1626 1882 2138 2394 2650 2905 70 693 992 1290 1589 1887 2186 2485 2783 3082 3380 80 784 1125 1466 1808 2149 2490 2831 3172 3514 3855 90 875 1259 1643 2026 2410 2794 3178 3562 3945 4330 100 966 1392 1819 2245 2672 3098 3525 3951 4377 4804 Bảng ( III – 2 ): Giá trị Ucđ khi sét đánh vào khoảng vượt, khi độ dốc a thay đổi và ở các thời điểm khác nhau với Rc = 11W Từ các giá trị trên ta vẽ đường Ucđ = f(t) và a, trên hình vẽ còn thể hiện đường đặc tính (V- S) của chuỗi cách điện Đường đặc tính vôn – giây (V – S) của chuỗi cách điện sẽ cắt các hàm Ucđ = f(a; t; Rc) tại các vị trí mà từ đó ta có thời gian xảy ra phóng điện trên chuỗi sứ như hình (III – 9). Đặc tuyến vôn – giây (V-S) của chuỗi sứ được tra trong bảng 25 sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp Bảng (III– 3 ): Đặc tính vôn – giây (V-S) của chuỗi cách điện t(ms) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Upđ (kV) 1020 960 900 855 830 810 805 800 797 795 Trong hình III-10 dưới đây ta lưu ý các điểm sau : - Xác suất phóng điện Vpđ là xác suất mà tại đó có các cặp thông số (Ii;ai) thuộc miền nguy hiểm - Các cặp số (Ii ; ai) nằm trong miền giới hạn nguy hiểm thì sẽ xảy ra phóng điện. Do đó xác suất phóng điện trên cách điện chính là xác suất để cho cặp số (Ii ; ai) thuộc miền nguy hiểm. dVpđ = P (a ³ ai) P (I ³ Ii ). ( III – 33 ) Trong đó: + P(I ³ Ii ): là xác suất để cho dòng điện I lớn hơn giá trị dòng điện Ii nào đó. + P(a ³ ai): là xác suất để cho độ dốc a lớn hơn giá trị ai nào đó để gây ra phóng điện P(a ³ ai) = P( ai – da ≤a≤ ai + da ) = dVa Với: Thay vào biểu thức ( 2 – 34 ) được: dVpđ = Vi.dVa Bằng phương pháp sai phân xác định được: (III–34 ) Với : Do trong tính toán về đường cong thông số nguy hiểm ta chỉ tính với 10 giá trị của a và I nên phải tiến hành ngoại suy để phủ kín các giá trị của chúng. Ta có kết quả số liệu của Vpđ tính như sau : a ( kA/s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ¥ Ii (kA) ¥ 119 116 114 112 110 108 105 104 99 80 0 VIi 0 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 0,017 0,018 0,019 0,023 0,47 Vai 1 0,4 0,159 0,064 0,026 0,010 0,004 0,002 0,001 0,0003 0,0001 0 DVai = Vai –Va+i 0,6 0,241 0,095 0,038 0,016 0,006 0,002 0,001 0,0007 0,0002 0,0001 0 Vai. 0 0,00601 0,00112 0,00043 0,00021 0,00007 0,00003 0,00002 0’00001 0,00005 0,000005 0 Ta được các kết quả như bảng (III – 4 ). Tính được Vp.đ = 0,00109. III.2.3.3- Tính suất cắt tổng do sét đánh vào khoảng vượt đường dây tải điện 110kV. Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt được xác định theo công thức: nkv = Nkv . Vpđ . h (lần / 100km. năm ) ( III– 35 ) Nkv = N/ 2 = 120/ 2 = 60 Vậy: nkv = 60. 0,00109. 0,48 = 0,0314 ( lần / 100km. năm ) III.2.3 - TÍNH SUẤT CẮT CỦA ĐƯỜNG DÂY110KV DO SÉT ĐÁNH VÀO ĐỈNH CỘT HOẶC LÂN CẬN ĐỈNH CỘT : Đối với đường dây có dây chống sét bảo vệ, phần lớn thì sét đánh vào dây chống sét ở khoảng vượt và đánh vào khu vực đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Để đơn giản ta xét trường hợp sét đánh ngay đỉnh cột như hình (III – 12 ): ic ic Ics Ics I»0 ic Rc Rc Rc Hình III-11 : Sét đánh đỉnh cột đường dây có dây chống sét bảo vệ . III.2.1.1- Lý thuyết tính toán. Khi sét đánh vào đỉnh cột đường dây có treo dây chống sét, đa số dòng điện sét sẽ đi vào đất qua bộ phận nối đất của cột, phần còn lại theo dây chống sét đi vào các bộ phận nối đất của các cột lân cận. Điện áp trên cách điện của đường dây khi sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét là: (III –36 ) Trong biểu thức trên điện áp xuất hiện trên cách điện gồm: + Thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng sét đi trong cột gây ra: Trong đó : - Rc là đIện trở cột ( Rc = 11W ) ic là dòng đIện sêt đI vào thân cột là trị số đIện cảm của phần cột đIện tính từ mặt đất +Thành phần điện của điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét gây ra: +Thành phần từ cuả điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do hỗ cảm giữa dây dẫn và kênh sét gây ra: +Thành phần điện áp do dòng điện đi trong dây chống sét gây ra, k là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét : kUcs +Điện áp làm việc trung bình của đường dây : Ulv Dấu trừ (-) thể hiện điện áp này ngược dấu với thành phần điện áp khác trong công thức (III – 36).Vì vậy thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện khi bị sét đánh. 1- Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột gây ra. Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột và điện áp trên dây chống sét liên quan với nhau vì chúng phụ thuộc vào điện áp đi trong cột và dây chống sét. Để tính toán các thành phần này có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét. Ta chia làm hai trường hợp: a/ Trường hợp 1: Khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên trở về: Trong đó : + lkv: là chiều dài khoảng vượt +n = c. b với: c là tốc độ ánh sáng ; b: tốc độ phóng điện ngược tương đối của dòng sét. Sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét như sau : ic ics ics is 2ics Rc is ic Hình (III – 12 ): Sơ đồ tương đương mạch đẫn dòng sét khi chưa có sóng phản xạ tới Trong sơ đồ dòng sét được coi như một nguồn dòng, còn thành phần từ của điện áp cảm ứng trên dây chống sét như một nguồn áp. Mcs là hỗ cảm giữa kênh sét và mạch vòng " dây chống sét - đất ". (III-37) Trong đó: +hcs : độ cao dây chống sét ; hdd: độ treo cao của dây dẫn ; hc: độ cao của cột. +H = hdd + hcs ; +Dh = hc - hdd ; +b : tốc độ phóng điện ngược tương đối của dòng sét. Theo sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp ta có b = 0,3. +n = b.c với c là tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s = 300m/ms +Lccs ; Lcdd : là điện cảm của cột từ mặt đất tới dây chống sét hoặc dây dẫn. (III– 38 ) Khi tính cho dây chống sét ta chỉ việc thay hdd bởi hcs rtd: Bán kính tương đương của dây tiếp địa từ cột xuống cọc nối đất chính là dây dẫn dòng sét trong thân cột. Từ sơ đồ thay thế dây chống sét được biểu thị bởi tổng trở sóng của dây chống sét, có xét đến ảnh hưởng của vầng quang. Từ sơ đồ hình ( III – 12 ) ta viết hệ phương trình như sau: Phương trình mạch vòng(*) Phương trình thế nút(**) Giải hệ phương trình nàyđược kết quả là: (III – 39 ) Tổng trở sóng của dây chống sét Zcs được xác định bởi: (III– 40 ) Trong đó: Điện áp giáng trên dây chống sét Ucs (t) =ics (t).Zcs b/ Trường hợp 2: Khi có sóng phản xạ từ cột bên trở về: t > 2lkv / v: Trường hợp này tính chính xác phải áp dụng phương pháp đặc tính, ở đây để đơn giản ta tính gần đúng tức là có thể thay dây chống sét bằng điện cảm tập trung nối tiếp với điện trở của đất của hai cột bên cạnh như hình ( III – 14 ) Hình III–13: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ tới Lcs : là điện cảm của một khoảng vượt dây chống sét không kể đến ảnh hưởng của vầng quang. ( III – 41 ) Trong đó: + Zo.cs : là tổng trở sóng của dây chống sét không kể đến ảnh hưởng của vầng quang . + lkv : chiều dài khoảng vượt + c : tốc độ ánh sáng c =300/ms Từ sơ đồ ta xác định được : 2-Thành phần điện của điện áp cảm ứng. Khi không có dây chống sét: Khi có dây chống sét: (III-45) Với K là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn với dây chống sét. 3-Thành phần từ của điện áp cảm ứng: Độ dốc của dòng sét a = (dic/dt) có thể coi là một hằng số đối với mỗi dòng điện sét. Do đó để tính thành phần từ của điện áp cảm ứng ta phải xác định Mdd(t). 4-Xác định suất phóng điện Vpđ : Từ các giá trị điện áp giáng trên chuỗi cách điện và từ đặc tuyến vôn – giây của chuỗi sứ ta có các giá trị thời gian xảy ra phóng điện (ti) . Biên độ dòng điện sét nguy hiểm sẽ là: Ii = ai. ti Từ đây ta có xác suất phóng điện là: Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột: nc = Vpđ . Nc .h III.2.1.2-Trình tự tính toán. Số lần sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Nc =N/2 = 120/2 = 60lần /100km.năm Xác suất hình thành hồ quang: h = 0,48 Xác định Vpđ : Để xác định Vpđ ta phải xác định điện áp đặt trên chuỗi cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột. Rc = 11 W Lcdd = Lo.hdd = 0,6.14 = 8,4mH với Lo là điện cảm đơn vị dài thân cột. v = b.c = 0,3.300 = 90 m/ms là vận tốc phóng điện ngược của dòng điện sét (theo sách hướng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp ta có b = 0,3 ; c là vận tốc ánh sáng c = 300m/ms). Ulv vận tốc trung bình của đường dây. Các thành phần còn lại của điện áp trong công thức ( III – 36 ) đều phụ thuộc vào độ dốc a, thời gian t và độ cao của dây dẫn. 1- Điện áp giáng trên chuỗi cách điện của pha A. a/ Thành phần điện của điện áp cảm ứng: Thay công thức( III – 43 ) vào công thức ( III – 44 ) ta có: Trong đó: +Hệ số ngẫu hợp khi có ảnh hưởng của vầng quang pha A : KA-csvq = 0,224 (đã tính ở III.1.2.4 ). + hcs =hc =18,84m ; hdd = hddA = 14m. H = hcs + hdd = 18,84+14 = 32,84m ; Dh = hcs – hdd =18,84-14= 4,84m. b=0,3. b/ Thành phần từ của điện áp cảm ứng: ; Lcdd = Lo.hddA = 8,4 mH a =dis/dt : độ dốc đầu sóng của sét dic/dt: tốc độ biến thiên của dòng điện đi trong thân cột có xét tới sự thay đổi trước và sau phản xạ của sóng sét từ cột lân cận trở về. c/ Điện áp trên dây dẫn gây ra bởi dòng điện sét đi trong dây chống sét K.Ucs(t).: Lccs = Lo . hcs = 11,304mH - Ta phải tìm ic và dic /dt trong hai trường hợp: + Trường hợp 1: Trước khi có sóng phản xạ từ cột lân cận về đó là khoảng thời gian t £ 2.lkv /c (lkv = 190m là chiều dài khoảng vượt ). t £ 2.190 /300 =1,27 ms. Theo công thức ( III – 39 ) và ( III – 40 ) ta có: trong đó : Nhận xét: Khi R; a; t thay đổi thì ic (t) và dic /dt thay đổi. + Trường hợp 2: Khi có sóng sét phản xạ từ cột lân cận trở về : Đó là thời gian t > 2.lkv hay t > 2.190 /300 = 1,27 ms. Theo công thức ( III – 42 ) và ( III – 43 ) ta có: Và : Trong đó: Viết lại biểu thức điện áp trên chuỗi cách điện: Với dis / dt = a ta có : Ta có: Với K là hệ số ngẫu hợp của pha A với dây chống sét có kể đến ảnh hưởng của vầng quang KA-csv q = 0,224 Thay số vào ta có: (III – 51) 2 - Điện áp giáng trên chuỗi cách điện của pha B; C. Với b = 0,3; KB-csvq = 0,147 ; hdd = hddB = 11 m ; H = hcs+ hddB = 18,84+11=29,84m Dh = hcs- hddB = 7,84m Với pha B,C ta có : 3- So sánh điện áp giáng trên chuỗi cách điện pha A và pha B. Ở cùng một thời gian tác động và cùng một độ dốc của dòng điện sét, ở cùng một thời gian tác động và cùng độ dốc của dòng điện sét, nếu chuỗi cách điện của pha nào có điện áp giáng lớn hơn thì pha đó có xác suất phóng điện lớn hơn. Chọn thông số của dòng điện sét tính toán : t = 3ms; a =10kA/ms. a/ Tính toán với pha A: Thay t và a vào các công thức: Thay t ; a đã chọn và R =11W vào công thức ( III – 39 ) và ( III – 40 ): Thay các giá trị Ucưdd(t); Mdd(t) ; Mcs(t) ; ic(t) ; dic/dt vào ( III– 5 0): UcđA (t) = (1 - 0,224).11.24,55 + 7,54.(8,4 - 0,224.11,304)+ + 11. (7,366 + 0,224. 10,22) + 173,4 + 57,17 = 561,8kV b/Tính toán với pha B: Thay các giá trị vừa tính toán vào công thức ta có: UcđB(t) = (1-0,147).11.24,52+7,53.(6,6- 0,147.11,304)+11(5,64+0,147.10,42) +140,25 + 57,17 =483,23kV. So sánh điện áp trên cách điện khi đường dây bị phóng điện ta thấy: UcđA = 561,8kV > UcđB = 483,23kV. Vậy với cùng một tham số của dòng điện sét thì chuỗi cách điện của pha A phải chịu điện áp lớn hơn so với pha B và Pha C. Do đó ta sẽ tính xác suất phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột với các thông số kỹ thuật của pha A. III.2.1.3-Tính xác suất phóng điện. Tính thành phần điện áp Udcư(t): Kết quả tính toán giá trị của Udcư(t) ứng với các giá trị của : a = 10 , 20 , 30 , 40 , 50 , 60 , 70 , 80 , 90 , 100(KA/ms) t = 0,5 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 (ms ) Được ghi ở bảng sau : t a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 159 213 268 322 367 431 485 539 594 648 20 261 370 478 587 696 805 913 1022 1131 1240 30 363 526 689 852 1015 1179 1342 1505 1668 1831 40 465 682 900 1118 1335 1550 1770 1988 2205 2423 50 567 839 1111 1383 1655 1927 2198 2470 2742 3014 60 669 995 1322 1648 1975 2300 2627 2953 3279 3606 70 771 1152 15321 1913 2294 2675 3055 3436 3816 4197 80 873 1308 1743 2178 2613 3048 3483 3918 4353 4789 90 975 1465 1954 2444 2933 3428 3912 4401 4891 5380 100 1077 1621 2165 2709 3253 3796 4340 4884 5428 5971 Bảng III_5 : Giá trị tính toán Udcư(t) ứng với các giá trị của a và t Ta tính Mdd(t) ,Mcs(t) với các khoảng chia nhỏ của thời gian : Bảng (III –6): Giá trị tính toán của Mdd(t) , Mcs(t):a t(ms) 0,5 1 1,33 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mdd(t) 5,11 6,83 7,65 8,90 10,2 11,2 12,0 12,6 13,2 13,7 14,1 14,5 Mcs(t) 3,55 4,83 5,43 6,37 7,36 8,09 8,66 9,14 9,55 9,91 10,2 10,5 Từ kết quả trong bảng ( III- 4 ) ta tính ic(t); dic/dt theo a và R với 2 khoảng thời gian là t £ 1,33 ms và t ³ 1,33ms. a/ Với t £ 1,33ms ta tính ic(t) ; dic /dt theo công thức (III–49) và công thức (III–50) b/ Với t ³ 1,33ms ta xác định ic(t) và dic /dt theo công thức ( III– 49 ) và (III – 50): Cho biên độ dòng sét nhận các giá trị khác nhau từ 10 đến 100kA chúng ta tính được điện áp đặt lên cách điện của đường dây. Từ bảng (III-9) vẽ dồ thị Ucd (t , a) và đặc tính (v - s) ta dược các giá trị Ti và các số liệu tính toán ở bảng (III – 10). * Tương tự như phần sét đánh vào khoảng vượt ta được : - Xác suất phóng điện Vpđ là xác suất mà tại đó có các cặp thông số (Ii;ai) thuộc miền nguy hiểm - Các cặp số (Ii ; ai) nằm trong miền giới hạn nguy hiểm thì sẽ xảy ra phóng điện. Do đó xác suất phóng điện trên cách điện chính là xác suất để cho cặp số (Ii ; ai) thuộc miền nguy hiểm. dVpđ = P (a ³ ai) P (I ³ Ii ). ( III – 33 ) Trong đó: + P(I ³ Ii ): là xác suất để cho dòng điện I lớn hơn giá trị dòng điện Ii nào đó. + P(a ³ ai): là xác suất để cho độ dốc a lớn hơn giá trị ai nào đó để gây ra phóng điện P(a ³ ai) = P( ai – da ≤a≤ ai + da ) = dVa Với: Thay vào biểu thức ( 2 – 34 ) được: dVpđ = Vi.dVa Bằng phương pháp sai phân xác định được: (III–34 ) Với : Do trong tính toán về đường cong thông số nguy hiểm ta chỉ tính với 10 giá trị của a và I nên phải tiến hành ngoại suy để phủ kín các giá trị của chúng. Ta có kết quả số liệu của Vpđ tính như sau : a ( kA/s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ¥ Ii (kA) ¥ 64 55,4 51 48 45 43 37,5 32 24 17 0 VIi 0 0,086 0,12 0,142 0,159 0,178 0,193 0,238 0,293 0,399 0,521 1 Vai 1 0,4 0,16 0,064 0,026 0,010 0,004 0,0024 0,0016 0,00065 0,00026 0 DVai = Vai –Va+i 0,6 0,241 0,095 0,038 0,016 0,006 0,002 0,001 0,0007 0,0002 0,0001 0 Vai. 0 0,0260 0,0115 0,0055 0,0025 0,0011 0,00005 0,00023 0,00011 0,00007 0,00005 0 Bảng III_10 : Kết quả xác xuất phóng điện Từ bảng (III – 10) ta tính được Vpđ = 0,05509 Tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột: nc = Nc. Vpđ . h (lần / 100km. năm ) Nc = N / 2 = 120 / 2 = 60 Vậy: n = 60. 0,05509. 0,48 = 1,5866 ( lần / 100km. năm ). III.3- TÍNH SUẤT CẮT TỔNG DO SÉT ĐÁNH VÀO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 110KV. Suất cắt toàn bộ đường dây khi có sét đánh trực tiếp được xác định bởi: n = ndd + nkv + nđc (lần /100km.năm) Ta đã tính được suất cắt ndd ; nkv ; nđc ở các phần trên: n = 0,04646+ 0,0314 + 1,5866= 1,66446 (lần/100km.năm) III.4- TÍNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN110KV Chỉ tiêu chống sét cho đường dây là số năm vận hành an toàn giữa hai lần sự cố liên tiếp, ta đã tính được suất cắt đường dây khi bị sét đánh: (Năm / lần sự cố ) Nhận xét: Sau khi tính toán suất cắt cho đường dây tải điện 110kV ta thấy: - Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn không phụ thuộc vào trị số điện trở nối đất của cột điện, nhưng lại phụ thuộc vào góc bảo vệ a, do đó để giảm số lần cắt điện do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn thì phải giảm góc bảo vệ a. - Khi sét đánh vào khoảng vượt thì khả năng phóng điện trên cách điện của đường dây phụ thuộc vào trị số của điện trở nối đất. Nếu điện trở nối đất nhỏ thì khả năng phóng điện là rất ít vì khi sét đánh vào dây chống sét trong khoảng vượt sẽ gây ra các sóng quá điện áp truyền về cột điện, sóng này gặp điện trở nối đất nhỏ nên điện áp đi vào bộ phận nối đất được giảm thấp. - Khi sét đánh vào đỉnh cột thì phần lớn dòng điện sét sẽ đi vào hệ thống nối đất của cột điện. Phần còn lại sẽ theo dây chống sét đi vào hệ thống nối đất của cột điện bên cạnh. Do vậy trị số của điện trở nối đất ảnh hưởng lớn đến trị số điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây. Vậy để giảm số lần cắt điện đường dây do sét thì phải giảm điện trở nối đất của cột điện và tăng cường cách điện cho đường dây. LỜI KẾT Qua việc tính toán và thiết kế cho hệ thống cao áp của trạm biến áp Văn ĐIún 110/22 kV thì ta đã thấy được việc đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong khi thiết kế là hết sức quan trọng , vì đây là hệ thống nhằm bảo vệ cho sự an toàn của thiết bị trong trạm cũng như người vận hành Từ việc bố trí các cột thu lôI sao cho hợp lý nhất , nối đất an toàn cũng như nối đất chống sét và việc tính toán các trạng tháI khi sét đánh vào đường dây tảI đIện