Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 4 - Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện

Chia sẻ: Nguyễn Thị Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

292
lượt xem 83
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 4 - Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện trình bày về khái niệm, truyền sóng trong hệ thống nhiều dây dẫn, phản xạ và khúc xạ của sóng, truyền sóng trong mạch dao động, xác định điện áp tại điểm nút bằng phương pháp đồ thị, nguyên tắc sóng đẳng trị, ảnh hưởng của vầng quang xung kích đối với truyền sóng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 4 - Truyền sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠ ƯƠNG 4 : TRUYỀN SÓNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN CÁC ĐƯỜNG IỆN DÂY TẢI ĐIỆN 4.1.Khái niệm 4.2. Truyền sóng trong hệ thống nhiều dây dẫn 4.3.Phản xạ và khúc xạ của sóng 4.4.Truyền sóng trong mạch dao động ộng 4.5. Xác định điện áp tạI đIểm nút bằng ph Iểm phương pháp đồ thị. Nguyên tắc sóng đẳng trị. 4.6. ảnh hưởng của vầng quang xung kích đối với truyền sóng ởng 3/31/2014 Page 1
Sóng quá điện áp trên các đường dây tải điện iện Quá điện áp khí quyển do sét gây nên tác dụng lên cách điện của cả của đường dây và trạm biến áp. Sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây xuất hiện do sét đánh thẳng vào đường dây sét đánh xuống mặt đất gần đường dây gây Các biện pháp bảo vệ chống sét cho hệ thống điện phải dựa trên tính toán quá trình truyền sóng trên iện đường dây Lan truyền sóng quá điện áp thao tác Sóng quá điện áp nội bộ xuất hiện khi chúng ta đóng cắt mạch điện (ví dụ như khi ta đóng đột ngột giữa hai óng dây dẫn mà trước đó không cùng thế) Sóng không sin lan truyền theo đường dây, khúc xạ, phản xạ từ nơi nối hai đường dây không cùng tổng trở, nhiều đường dây cùng nối với thanh cái, từ cuối đường dây hở mạch ờng Lan truyền sóng quá điện áp khí quyển Sóng quá điện áp khí quyển sẽ lan truyền từ điểm sét đánh, các sóng này sẽ khúc xạ, phản xạ và suy yếu iểm dần giống như sóng quá điện áp nội bộ nhưng đầu sóng rất dốc khoảng 1s 3/31/2014 Page 2
MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY CHẾ ĐỘ BA PHA ĐỐI XỨNG ỜNG Các đường dây tải điện cao áp là hệ thống tham số phân bố, các đại lượng vật lý như điện trở, điện cảm và điện dung phân bố dọc theo chiều dài đường dây chứ không tập trung tại một điểm i Rdx Ldx i i dx x Gdx Cdx u u u dx x abscisse x abscisse x+dx điện áp xuát hiện trên đường dây xác định bằng cách giải hệ phương trình vi phân  u(x ) i(x )   Ri(x )  L  x t   i(x ) u(x )  Gu(x )  C   x t Giải hệ phương trình vi phân ở dạng tổng quát với cả bốn tham số sẽ rất phức tạp, và không cần thiết .... 3/31/2014 Page 3
Do đó sẽ đề xuất một số giả thiết nhằm đơn giản hoá. n Xét quá trình truyền sóng quá điện áp (sét hoặc nội bô), thời gian biến thiên rất ngắn có thể bỏ qua  điện dẫn tác dụng của dây dẫn vì tham số này quyết định bởi tổn thất do rò điện là do vầng quang (đường dây cao áp có mức cách điện rất cao nên rò điện rất bé nhỏ không đáng kể, trừ khi sóng quá điện áp có biên độ rất lớn sẽ làm xuất hiện quá trình phóng điện vầng quang làm cho tổn thất vầng quang tăng).  điện trở R của dây dẫn gây tổn hao và làm biến dạng sóng. Khi có sét đánh vào dây dẫn, đường dây sẽ có điện áp đối với đất nên dòng điện thứ tự thuận của sóng sẽ truyền dọc theo dây dẫn còn dòng điện thứ tự ngược sẽ trở về trong đất. Do vậy có thể xem điện trở R bao gồm điện trở của dây dẫn và điện trở trở về rđ, nghĩa là bằng bằng iện điện trở thứ tự không của dây dẫn. đối với các đường dây cao áp, điện trở thứ tự không phụ thuộc vào tiết diện dây dãn và điện trở suất của đất và có giá trị 0,1 đến 0,4/km. ở trạng thái sóng khi tốc độ biến thiên của dòng điện theo thời gian rất lớn thì hiệu ứng mặt ngoài trong đất sẽ làm cho điện trở rđ tăng cao và làm biến dạng sóng .Tuy nhiên chỉ trong vùng đất xấu (điện trở suất của đất lớn) và khi độ dài truyền sóng lớn thì biến dạng đầu sóng mới đ đáng kể. Thực tế thường gặp các trường hợp truyền sóng rất ngắn nên có thể không xét đến biến dạng sóng 3/31/2014 Page 4
hệ phương trình vi phân truyền sóng được xem không có tổn hao (R = 0 et G=0) đư   u( x )  i( x )   2u ( x )  2u( x )  x  L t   x 2   L t 2    2   i( x )   C  u ( x )   i( x)  2i ( x )  x  t  C  x 2  t 2 Nghiệm tổng quát của hệ phương trình u ( x , t )  ut ( x  vt )  u px ( x  vt )   i ( x , t )  it ( x  vt )  i px ( x  vt )  Sãng ph¶n x¹ u px x  vt  Sãng tí i u t  x  vt  § - êng d©y dµi v« tËn x u px v i px   Zc it  ut v Zc xvt   const xvt   const 3/31/2014 Page 5
Nghiệm tổng quát được biểu thị ở dạng tổng hai thành phần sóng tới di chuyển về phía d dương của trục x sóng phản xạ di chuyển theo chiều ng ngược lại y  x  vt u dut du px u ( x , t )  ut ( x  vt )  u px ( x  vt )   z  x  vt x dy dz 2  2u d 2ut d u px 2  2  x dy dz 2 2 2  u  u 2  2u 2 2 d ut 2 d u px   LC 2 LC 2  LC  2  LC  x 2 t t dy dz 2 LCv 2  1 1 Vận tốc truyền sóng  LC 3/31/2014 Page 6
Trường hợp đường dây không có tổn hao u ( x , t )  ut ( x  vt )  u px ( x  vt )  u i u dut du px   L u dut du px    x t   x dy dz x dy dz  u i di di it  t  const i ( x , t )  it ( x  vt )  i px ( x  vt ) L  L t - L px  L t dy dz  i  u px  const  px L  Nếu đường dây dài vô tận thì sẽ không có sóng phản xạ từ cuối đường dây và hàm số ft(x-vt) được quyết định bởi quy luật biến thiên của nguồn theo thời gian 1 Tốc độ truyền sóng dọc theo đường dây không có tổn hao  LC đối với đường dây trên không nó có trị số bằng vận tốc ánh sáng. Nh vậy thời gian sóng truyền từ đầu đường dây đến ờng Như cuối đường dây sẽ bằng l/. Tổng trở sóng của đường dây không tổn hao  u px ( x  vt ) i px ( x  t )  -  Z L2 L  L  LC  C Z i ( x  t )  ut ( x  vt ) t  Z 3/31/2014 Page 7
TRUYỀN SÓNG TRONG HỆ THỐNG NHIỀU DÂY DẪN Nghiên cứu quá trình truyền sóng trên đường tải điện gồm nhiều dây : môi dây dẫn đều bị ảnh hưởng của điện từ trường do sự lan truyền sóng trong các dây kia Sử dụng phương trình Maxwell áp dụng cho hệ thống nhiều dây U 1n  11q1  12 q2  .......... ..........  1n qn U   q   q  .......... ..........   q  2n 21 1 22 2 2n n   U nn   n1q1   n 2 q2  .......... ..........   nn qn   U1n   11 12 .... 1n   q1  k dkp p       U 2 n    21  22 ....  2 n   q2  rk    .... .   hk hp       U   ....  nn   qn   nn   n1  n 2      kk  1 2h ln k bkp'  2 rk  Ma trận  gọi là ma trận hệ số thế là một ma trận đối b hk   1 ln pk xứng vì kj = jk  kp 2 d pk hp  k' p' 3/31/2014 Page 8
Sóng lan truyền theo đường dây không tổn hao, do vậy ta có thể xác định dạng sóng của điện trường bằng cách dịch chuyển tất cả điện tích cố định dọc theo dây dẫn với vận tốc .  U1n  11q1  12 q2  ....................  1n qn           11 q1    12 q2   ..........   1n qn            Z11 I1  Z 2 I 2  ....................  Z1n I n U 1n  Z11 I1  Z12 I 2  .......... ..........  Z1n I n U  Z I  Z I  .......... ..........  Z I  2n 21 1 22 2 2n n   U  Z I U nn  Z n1 I1  Z n 2 I 2  .......... ..........  Z nn I n    1 2h 1 2h 2h  Z ckk  kk  ln k  12 ln k  138.log k   2 0 rk 2 .1.8.85.10 rk rk  Z   pk  1 ln bkp '  1 ln bkp '  138.log bkp '  ckp   2 0 d kp 2 .1.8.85.10 12 d kp d kp Le système des équations a (n-1) équations avec 2(n variées donc il est résoluble dans les cas 1) 2(n-1) particuliers. 3/31/2014 Page 9
Trường hợp các dây dẫn đều nối với nguồn Ví dụ đường dây không treo dây chống sét, sét đánh thẳng vào dây dẫn, quá điện áp xuất hiện do phóng điện ngược qua cách điện hoặc do cảm ứng 3 2 1 điện áp trên các dây dẫn sẽ bằng nhau U 1  U 2  ...  U n  U U  Z11 I1  Z12 I 2  .......... ..........  Z1n I n U  Z I  Z I  .......... ..........  Z I  21 1 22 2 2n n  I=?  U  Z n1 I1  Z n 2 I 2  .......... ..........  Z nn I n  3/31/2014 Page 10
hệ thống hai dây dẫn  Z 22  Z12 U  Z11 I1  Z12 I 2  I1  U 2 Z11Z 22  Z12    U  Z 21 I1  Z 22 I 2  I1  U Z11  Z11 2   Z11Z 22  Z12 U U Nếu hai dây có cùng bán kính và treo cao như nhau Z11=Z22 ư I1  I 2   Z11  Z12 Z11 Khi có nhiều đường dây song song, dòng điện trong mỗi dây sẽ giảm, dòng điện tổng tăng chậm hơn tăng số dây dẫn iện  Trường hợp đường dây dùng cột hình  : ba dây dẫn cùng bán kính, bố trí trên cùng mặt phẳng ngang Z 11  Z 22  Z 33 Z 11  Z 12 I1  I 3  U 2 2 Z 12  Z 23  Z 13 Z 11  Z 11 Z 13  2 Z 12 Z11  Z13  2Z12 I2  U 2 2  I1 Z11  Z11Z13  2Z12 3/31/2014 Page 11
Exemple ligne de pylône en  frappée par le foudre 1 2 3 U=600 kV D©y dÉn AC150 §é treo cao h=10 m Kho¶ng c¸ch pha d = 4m Z11  Z 22  Z 33 Z12  Z 23  Z 13 Z 11  Z 12 I1  I 3  U 2 2 Z  Z 11 Z 13  2 Z 12 11 2h b12’ b13’ Z11  Z13  2 Z12 I2  U 2 2  I1 Z11  Z11 Z13  2 Z12 1’ 2’ 3’ 3/31/2014 Page 12
Trường hợp một dây dẫn nối với nguồn, các dây còn lại đều nối đất Ví dụ đường dây treo dây chống sét, sét đánh thẳng vào dây dẫn, các chống sét nối đất ánh U1  0 điện áp trên các dây dẫn U 2  U 3  ...  U n  0 3 2 U 1  U  Z11 I1  Z12 I 2  .......... ..........  Z1n I n 1 0  Z I  Z I  .......... ..........  Z I  21 1 22 2 2n n I=?   0  Z n1 I1  Z n 2 I 2  .......... ..........  Z nn I n  hệ thống hai dây dẫn  Z 22  Z12  I1  U 2  U 1  Z 11 I 1  Z 12 I 2  Z11Z 22  Z 12     I  U Z11  Z12 0  Z I  Z I  2 2 Z11Z 22  Z 12  21 1 22 2  Như vậy dòng điện trong dây dẫn tăng do ảnh h ng hưởng của các dây bên cạnh 3/31/2014 Page 13
Trường hợp một số dây dẫn nối với nguồn, các dây còn lại cách điện Ví dụ đường dây không treo dây chống sét, sét đánh thẳng vào dây dẫn, còn các dây khác đặt cách điện ánh điện áp của (k-1) dây dẫn nối với nguồn bằng nhau và bằng U iện (U1=U2=...=Uk-1=U) 4 3 dòng điện trong các dây dẫn đặt cách điện bằng 0 (Ik= Ik+1 =...= In-1 = 2 0): 1 U 1  U  Z 11 I 1  Z 12 I 2  ...  Z 1( k 1) I k 1  Z 1k 0  .......... .....  Z 1n 0  U 2  U  Z 21 I 1  Z 22 I 2  .....  Z 2 ( k 1) I k 1  Z 2 k 0  .......... .....  Z 2 n 0    U k 1  U  Z ( k 1) 21 I 1  Z ( k 1) 2 I 2  .....  Z k ( k 1) I k 1  Z kk 0  .......... .....  Z kn U  0  Z I  Z I  .....  Z  k k1 1 k2 2 k ( k 1) I k 1  Z kk 0  .......... .....  Z 2 n 0   U n  0  Z n1 I 1  Z n 2 I 2  .... Z n ( k 1) I k 1  Z nk 0  .......... ......  Z nn 0  Z k1 điện áp trên dây đặt cách điện bất kỳ sẽ có trị số bằng U k  I 1Z k1  U  K 1k U 3/31/2014 Page 14 Z11
Trị số K1k gọi là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn thứ k đặt cách điện đối với dây dẫn thứ nhất có nối với nguồn (cần chú ý trường hợp chung K1kKk1 vì tổng trở sóng riêng Z11 và Zkk có thể không bằng nhau). Hệ số ngẫu hợp k dkp p  1 2h 2h Z kk  kk  ln k  138.log k rk Z pk  2 rk rk K kp  Z kk  pk 1 bkp ' bkp ' Z kp   ln  138.log hk hp  2 d kp d kp b b bkp' 138.log kp ' ln kp ' d kp d kp K kp   2h 2h 138.log k ln k rk rk hk hp Hệ số ngẫu hợp được quyết định bởi kích thước hình học của đường dây và khoảng cách giữa các dây dẫn k' p' 3/31/2014 Page 15
Do tác dụng ngẫu hợp, trên các dây đặt cách điện không nối với nguồn cũng có xuất hiện điện áp làm iện cho điện áp tác dụng lên cách đ của đường dây được giảm thấp điện Nếu số dây nối với nguồn là hai dây (trường hợp dùng hai dây chống sét Z11=Z22 và I1 = I2 )  U 1n  U  I 1 Z11  I 2 Z12  U  U  I 1 Z12  I 2 Z 22  2n    U ( n 1) n   U  I 1 Z ( n 1)1  I 2 Z ( n 1) 2 Trên dây dẫn không nối với nguồn sẽ có điện áp bằng iện Z k1  Z k 2 Z k1  Z k 2 gọi là hệ số ngẫu hợp của dây dẫn đặt cách U kn  U Kk  điện thứ k đối với dây 1 và 2 Z11  Z12 Z 11  Z 12 Có thể nhận thấy trong trường hợp này hệ số ngẫu hợp lớn h so với khi đường dây chỉ treo một dây ờng hơn chống sét 3/31/2014 Page 16
PHẢN XẠ VÀ KHÚC XẠ CỦA SÓNG Khi có sóng truyền, ở cuối đường dây (x=0) sẽ có hiện t ờng tượng phản xạ và khúc xạ sóng tại các điểm nút : thành phần khúc xạ sang môi trư ường mới thành phần phản xạ ngược trở lại môi tr ợc trường cũ. Với trường hợp đường dây không tổn hao phương trình điện áp tại x=0 ng u x  ut  x , t   u px  x , t  Sãng tí i x ut ( 0, t ) u px ( 0, t ) ix  it  i px   Z Z Ut(x,t) - sóng tới từ môI trường 1 Upx(x,t) - sóng khúc xạ từ môi trường 1 sang 2 Ux - sóng phản xạ sang 2 3/31/2014 Page 17
Nếu cuối cuối đường dây (x=0) có điện trở R R ut  u px  RZ u x   Ri x u t  u px    ut 0, t   u px ( 0, t ) Z RZ Hệ số tỷ lệ  gọi là hệ số phản xạ u r (0, t ) R  Z c   u p 0, t  R  Z c Hệ số khuc xạ  u o (0, t ) 2R   u p 0, t  Z c  R    1 3/31/2014 Page 18
Truyền sóng giữa hai môi trường có tổng trở sóng khác nhau ờng Xét quá trình truyền sóng giữa hai đường dây dài vô tận (xem là không có sóng phản xạ từ đầu cuối đường dây) nhưng có tổng trở sóng khác nhau : sóng truyền từ môi trường Z1 sang môi trường Z2. sóng tới ut(x,t) truyền từ đường dây 1 có tổng trở sóng Z1 (x0). ờng A ut1 x=0 ut2 Z1 i0 Z2 upx1 upx2 u0 Khi đạt tới điểm A (x=0), giữa hai môi trường sóng tới sẽ bị phản xạ trở về đường dây 1 và sóng khúc xạ sang đường dây 2 3/31/2014 Page 19
Với điều kiện ban đầu upx2 bằng 0, tại nút A có thể thành lập các phương trình về điện áp và dòng điện ut 2  ut1  u px1 t¹i x  0 it1  i px1  it 2 ut 2 ut1  u px1 io   Z2 Z1  Z  Z1 u px1  2 .ut1   .ut1  Z 2  Z1  ut 2  2 Z 2 .ut1   .ut1   Z 2  Z1 Z 2  Z1   Hệ số tỷ lệ  gọi là hệ số phản xạ Z 2  Z1 2Z2 Hệ số khuc xạ    Z2  Z 3/31/2014 Page 20