Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 7 - Bảo vệ chống sét đường dây

Chia sẻ: Nguyễn Thị Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

827
lượt xem 170
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các đường dây tải điện, phần lớn là các đường dây trên không (chiều dài rất lớn), xác suất bị sét đánh tương đối cao, sự cố trong hệ thống đường dây. Khi sét đánh vào các đường dây tải điện nó có thể gây phóng điện trên cách điện dường dây, cũng có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm nhảy máy cắt dẫn đến ngừng cung cấp điện và có thể gây ra tổn thất nghiêm trọng. Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 7 - Bảo vệ chống sét đường dây giúp người học nắm được các yêu cầu bảo vệ chống sét đường dây tải điện, quá điện áp cảm ứng, sét đánh vào dây dẫn, sét đánh vào cột điện hoặc vào dây chống sét điện, phương tiện bảo vệ chống sét.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 7 - Bảo vệ chống sét đường dây

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 7 : ƯƠNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY O 7.1.Yêu cầu bảo vệ chống sét đường dây tải điện 7.2.Quá điện áp cảm ứng 7.3.Sét đánh vào dây dẫn 7.4. Sét đánh vào cột điện hoặc vào dây chống sét iện 7.5.Phương tiện bảo vệ chống sét ng 3/31/2014 Page 1
YÊU CẦU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN Các đường dây tải điện, phần lớn là các đường dây trên không (chiều dài rất lớn, đi qua nhiều vùng), ờng xác suất bị sét đánh tương đối cao, sự cố trong hệ thống điện do sét gây nên chủ yếu là xảy ra trên ối đường dây. Khi sét đánh vào các đường dây tải điện nó có thể gây phóng điện trên cách điện đường dây, cũng có iện thể gây ra sự cố ngắn mạch làm nhảy máy cắt dẫn đến ngừng cung cấp điện và có thể gây ra tổn thất nghiêm trọng Sóng quá điện áp khí quyển xuất hiện khi sét đánh lan truyền về phía trạm biến áp, do hiệu ứng vầng iện quang thường bị biến dạng (tổn hao do ion hoá không khí xung quanh). Vì thế có thể nói nếu sét đánh ờng vào đường dây cách xa trạm do suy giảm sóng nên không gây nguy hiểm cho trạm. ờng Quá điện áp khí quyển có thể xuất hiện do sét đánh trực tiếp hoặc do sét đánh gián tiếp vào khu vực iện lân cận đường dây. Trường hợp sét đánh trực tiếp luôn luôn là mối nguy hiểm bởi đường dây phải hứng ánh chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, đư chọn để tính toán bảo vệ đường dây, đặc biệt là các được đường dây cao áp. Các đường dây điện áp thấp h cần quan tâm cả đến quá điện áp cảm ứng. iện hơn 3/31/2014 Page 2
Vì vậy đường dây cần phải bảo vệ chống sét với mức độ an toàn cao và cần phải xem xét cả đến việc ờng bảo vệ trạm biến áp, đặc biệt những đoạn đường dây gần trạm ờng Để giảm bớt sự cố do sét gây ra, người ta dùng các biện pháp chống sét trên đường dây ời - đa phần những lần sét đánh lên đường dây đư đưa xuống đất một cách an toàn. được - chỉ có một số rất ít trường hợp (dòng điện sét quá lớn, sét đánh vòng qua dây chống sét) gây phóng iện điện - có thể tăng cường cách điện đường dây hoặc giảm trị số điện trở nối đất của bộ phận chống sét. ờng Bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối th ối thường không thể thực hiện được (vốn đầu tư quá lớn) - Tăng cường về cách điện đường dây, hoặc dùng các thiết bị bảo vệ chống sét phức tạp, đắt tiền... ờng - Do đó, phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét của đường dây phải xuất ắn phát từ chỉ tiêu kinh tế, (một mặt làm cho số lần cắt điện đường dây do sét gây ra giảm đến mức thấp nhất, mặt khác đảm bảo tính chất kinh tế của biện pháp chống sét). ảm - Điều này có nghĩa là phải tìm ra được phương thức bảo vệ đường dây sao cho tổn hại do sét gây ra ng là bé nhất 3/31/2014 Page 3
Tuy nhiên, việc đưa ra một chỉ tiêu kinh tế cho bảo vệ chống sét đường dây là một vấn đề phức tạp a - Trước hết bài toán phụ thuộc quá nhiều yếu tố về kết cấu và yêu cầu cung cấp điện của lưới cũng ớc như về các thiết bị bảo vệ chống sét của trạm, việc tính toán khá phức tạp và không thể đưa ra một chỉ tiêu chung. - Không có đủ số liệu về độ tin cậy, chỉ tiêu kinh tế cung cấp điện hoặc ảnh hưởng độ tin cậy đến tổ ộ thất của phụ tải... - Do đó trong tính toán của bảo vệ chống sét cho đường dây ta tính cho một năm sét (khoảng 75 đến ó 100 giờ sét) cho chiều dài 100 km đường dây Các số liệu này sử dụng để so sánh với chỉ tiêu chống sét của đường dây điển hình (đường dây có ể mức chịu sét hợp lý). Khi so sánh nếu thấy chỉ tiêu bảo vệ chống sét của đường dây thiết kế kém hơn nhiều so với đường Khi dây điển hình trên thì phải tăng cường khả năng chịu sét của đường dây bằng cách: đặt thêm dây chống ng sét, giảm góc bảo vệ hay giảm điện trở nối đất của cột.... ất 3/31/2014 Page 4
Số lần sét đánh vào đường dây Mô hình cổ điển : Đường dây thu hút tất cả các phóng điện sét xuất hiện trên diện tích một dải đất có ờng chiều rông 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây. ờng Ns =0,10,15 : mật độ sét (lần/km2/ngày giông sét) N L  0,1  0,15.6h.L.10 3.N k lÇn/n¨m  h : chiều cao của dây dẫn tính (m). L : chiều dài đường dây tính (km). Nk : mức dông sét (ngày/năm). Mô hình điện hình học : tần suất hoạt động của sét được tính toán có xem xét đến diện tích thu hút ộng phóng điện sét của phần tử cụ thể. Công thức kinh nghiệm dùng để xác định số lần sét đánh vào đường iện dây (cột và dây chống sét) có dạng N l  L NL  Nk  1  . . Nk : mức dông sét,  30 70  100 N1 : số lần sét đánh vào dây dẫn treo cao nhất l : bề rộng đường dây, (m); lÇn sÐt ® nh/n¨ m ¸ h : chiều cao của dây dẫn tính bằng (m). a : hệ số tính ảnh hưởng của cột và dây chống sét 0 1 2 3 Sè d©y chèng sÐt Sè lÇn sÐt ®¸nh Vµo cét (%) 55 35 20 10 Trong kho¶ng vît (%) 45 65 80 90 HÖ sè ¶nh híng  1,65 1,40 1,2 1,0 § é cao h (m) 0 5 3/31/2014 Page 5
Số lần sét đánh vào đường dây gây phóng điện đ Các tham số phóng điện sét (biên độ dòng điện sét If và độ dốc a=di/dt) có giá trị rất khác nhau và iện mang tính thống kê. Trong số các lần sét đánh, chỉ những cú sét mà biên độ quá điện áp vượt quá mức cách điện xung kích ánh, có thể gây ra phóng điện ngược. Khả năng này được biểu thị bởi xác suất phóng điện (a), số lần phóng điện bằng ợc N a   a .N L Tuy vây Na không phải là số lần sự cố cắt điện do sét gây nên bởi vì thời gian phóng điện sét thông iện thường nhỏ hơn rất nhiếu so với thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ rơ le n Chỉ có những lần phóng điện mà hồ quang điện trở thành oỏn định và được duy trì bởi điện áp mạng mới có khả năng dẫn đến cắt điện. Xác suất hình thành hồ quang () phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó gradient điện trường dọc theo bề mặt cách điện có ý nghĩa quan trọng hơn cả. E=U/l 50 30 20 10 (kV/m)  0,6 0,45 0,2 0,1 3/31/2014 Page 6 5
Cuối cùng ta tính được số lần sự cố do sét nc  N a  N L . a . Để so sánh khả năng chống sét của đường dây, người ta dùng chỉ tiêu suất cắt : đó là số lần cắt điện do sét trong một năm và trên 100km đường dây Nc nc   N L . a . .10  2 lÇn/100km/ n¨m  100 3/31/2014 Page 7
Nếu sét đánh vào một vùng gần đường dây, liên hệ điện từ gây nên quá điện áp cảm ứng trên các dây ờng pha : u cu x, t   u cu x, t   u cu x, t  d t Thành phần từ của Ucu(x,t) điện áp cảm ứng u m ind  x, t    E ym(x, t)dt Thành phần điện của điện áp cảm ứng u cu x, t    x, t   u d ( x, t ) d (x,t) - thế vô hướng của thế tại điểm nào đó trên dây dẫn và tại thời điểm t. iểm uđ(x,t) - điện áp sinh ra do điện tích của dây dẫn d iện dưới tác dụng của điện trường bên ngoài. sứ chyển động này chỉ có liên quan đến thành phần tr ến trường có phưởng trùng với trục của đường dây (thành phần Exd) vả được xác định bởi phươ trình điện tín ở vế phải : ương 3/31/2014 Page 8
y x b 2 d 2 d d x d u 1 d u dE x 2  2 2  2 h dx c dt dx x=0 x z Độ lớn của điện áp cảm ứng tại điểm gần nơi sét đánh i 60 I s h U cu max  K0 b h - độ treo cao trung bình của dây dân (m) ; ộ b- khoảng cách từ đường dây tới nơi bị sét đảnh (m) ; k - hệ số phụ thuộc vào tốc độ của phóng điện ngược. 3/31/2014 Page 9
Đường cong biến thiên của điện áp cảm ứng Ucư t) tại điểm gần nơi sêt đảnh được biểu thị trên hình ư(0, sau, ở đấy có vẽ riêng các thành phần điện và từ. Khi tốc độ phóng điện ngược tăng thì thánh phần từ iện tăng do tốc độ biến thiên của từ trường lớn. Nhưng thành phần điện thì ngược lại có giảm chút ít vì trị ng số dòng điện sét Is = ơv giữ không đổi, nếu tăng tốc độ phóng điện ngược sẽ làm giảm mật độ và làm ng giảm điện trường. Đa số các phóng điện ngược đều có tốc độ khoảng 0,1-:0,2 tốc độ ảnh sáng (=0,1- 0,2) nên hệ số Ko có thể chọn bằng 0, 5 và trị số Ucư a được tinh theo 30 I s h U cu max  b Các công thức trên chl đủng với trường hợp đơ giản là khi dông điện sét có dạng sóng vuông góc. đơn Nếu là dạng sỏng xiên gỏc thi tốc độ biến thiên của điện từ trường sê bé hơn và trị số điện áp cảm ứng ộ giảm thấp. Tuy nhiên sự giảm tháp này chl đảng kể khi sét dành gần tức là khi b < v.đs. ảng 3/31/2014 Page 10
Số lằn cỏ sét đánh vào giải đất đặt cách đường dây khoảng cảch db, cỏ chlều rộng b và chiều đài ờng 100km, dN  0,1  0,15 db.10 3.100 .n ngs  0,01  0,015 db.n ngs Để trị số điện áp cảm ứng bằng hoặc vượt quá mức cách điện đường dây U50%, dòng điện sét phải có ợt biên độ (điều kiện để có phóng điện trên cách điện của đường dây) iện U 50 % b Is  30 h xác suất xuất hiện quả điện áp với một biên độ nào đấy ví dụ bằng hoặc lớn hơn mức cách đíện ộ đường dây (>U50%). xác suất phóng điện có trị số bằng iện Is U 50% b   26 ,1 780 h v pd  e e Số lần sét đánh trong giải đất db tạo nên QĐA cảm ứng đủ lớn đễ gây nên phóng điện trên cách điện ất đường dây U 50 % b  dN pd  dN .v pd  0,01  0,015 db.nngs e 780 h 3/31/2014 Page 11
lấy tinh phân đẳng thức trên từ giới hạn bmin = 3h tới  và cho cả hai phía đường dày (Đường dây thu ẳng hút về phía mình tất cả các phỏng điện sét trong giải đất rộng 6h, bmin = 3h còn khi sét đánh ở ngoải iện giải này sẽ xem như đảnh xuống đất và gây nên quá điện áp cảm ứng) ất    U 50% b 15,6  23,4nngs h  U 50% N pd  2  dN pd  2 bmin  0,01  0,015db.n bmin ngs e 780 h  N pd  U 50% e 260 Kết quả tính toán cho thấy, khi đường dây cỏ độ treo cao trung bình h = 10 m và nằm trong vùng sét hoạt ộ động mạnh có nngs=100 ngày, số lần xuất hiện quá điện cảm ứng cô trị số vượl quá mức cách diện xung ộng kích hàng năm + của đường dây 35kV (U50% = 350 kV) là 10 - 15 lần ờng + của đường dáy 110 kV (có U50% - 700kV) - khoảng l, 5 lần/năm. ờng Như vậy đối với đường dáy 110kV trở lên trong tinh toán chống sét có thể không xét đến quá điện áp ờng cảm ứng vì số lần phỏng điện do nó gáy nên rất nhỏ so với khi có sét đảnh trong lên đường dây. iện Đối với các đường dây 35kV trở xuống, đường dây điện áp càng bé thi trị số Npđ càng lớn do đó cần ờng phải chú ý đến quá điện áp cảm ứng trong tinh toán cữllg nh trong vận hành. iện như Đặc điểm của quá điện áp cảm ứng là xuất hiện đồng thời ở cả ba pha và trị sồ giữa các pha không chênh lệch ồng nhau nhiều, do đó nguy hiểm không phải là đối với cách điện giữa các pha mà là cách điện giữa pha đối với ối đất và đối với các loại đường dây này biện pháp chống quá điện áp cảm ứng hợp là là dùng cột gỗ ờng 3/31/2014 Page 12
Quá điện áp do sét đánh vào dây dẫn Nếu đường dây không treo dây chống sét, thì sét sẽ đánh chủ yếu vào dây dẫn ờng Kênh sét được xem như nguồn dòng có tổng trở bên trong rất lớn phát ra dòng điện sét i(t) tại điểm sét đánh. Dòng điện này sẽ chia theo hai từ điểm sét đánh và lan truyền dọc theo dây dẫn có tổng trở Z nằm trong khoảng ánh 300 et 500 . canal de foudre khi sét đánh vào dây dẫn có thể xem tại điểm sét đánh, kênh sét Z0 (tổng trở của kênh sét Z0) được ghép nối tiếp với tổng trở xung ợc kích Zc của dây dẫn. Sơ đồ thay thế dòng điện sét Zc Zc Do tổng trở xung kích Zc300500, dòng điện sét sẽ giảm rất đáng kể so với trường hợp điện trở nối iện đất nhỏ. Dòng điện sét tại điểm sét đánh có giá trị bằng ánh Z0 Is I  Is.  Zc 2 Z0  2 3/31/2014 Page 13
Dòng điện sét Is/2 sẽ phân tán tại điểm sét đánh về hai phía khác nhau và lan truyền dọc theo dây ánh dẫn. Như vậy mỗi phía dòng điện sẽ có giá trị Is/4 iện Is Dòng điện này gây nên sụt áp trên dây dẫn Uc  .Z c 4 Tại một điểm cho trước trên dây dẫn, điện áp sẽ t iện tăng đến giá trị đủ gây nên phóng điện khoảng cách cách điện đường dây (phóng điện bề mặt trên chuỗi cách điện). iện Với trường hợp cột điện kim loại, phóng điện bề mặt chuỗi sứ xảy ra khi iện Is 4.U 50% U 50% Uc  Z c  U 50 % I f  I bv   4 Zc 100 Tại vị trí cột điện, sóng điện áp tiếp tục lan truyền iện toàn sóng có giá trị biên độ bằng I s max I s max U c max  .Z c .Z c  U 50% 4 4 I s max sóng cắt với điện áp bằng điện áp phóng đ khi điện .Z c  U 50% 4 3/31/2014 Page 14
Mỗi loại cột có khoảng cách cách điện giữa dây pha đến các kết cấu sắt của cột, do vậy đối với mỗi cấp iện điện áp, sóng dòng điện sẽ có ngưỡng mà nếu nhỏ h giá trị này sẽ không xảy ra phóng điện. ỡng hơn Dòng điện tới hạn bằng : Ic = 4. U50% / Zc 225 kV 400 kV 750 kV 1050 kV Ic , kA 5,5 8,5 19 25 TÇn suÊt 95 % 90 % 60 % 45%. Với các đường dây điện áp đến 20 kV, dòng điện tới hạn Ic có giá trị rất bé, điều đó có nghĩa là phóng điện xảy ra iện một cách rất hệ thống khi có sét đánh, còn đối với đư đường dây điện áp dưới 400 kV, phần lớn các cú sét đánh vào dây dẫn sẽ dẫn đến phóng điện (80%). Xác suất phóng điện được xác định bởi Is Is    I  PI s  Ibv   10 60 e 26,1 Thông thường sét đánh vào các dây treo cao nhất và phóng điện thường xảy ra trên dây dẫn pha này. ánh Khi có phóng điện sẽ dẫn đến hiện tượng chạm đất một pha. Như vậy sự cố mất điện do nhảy máy ợng cắt phụ thuộc vào chế độ điểm trung tính và tuỳ thuộc đường dây có được trang bị các thiết bị bảo vệ iểm tự động đóng lại hay không 3/31/2014 Page 15
Lưới điện trung tính nối đất trực tiếp (đường dây cao áp từ 110 kV trở lên) ờng  Khi có ngắn mạch một pha chạm đất, máy cắt bảo vệ đường dây trong vùng sự cố sẽ nhảy và số lần cắt điện ất, do sét gây ra (số lần sự cố) được tính theo các công thức trên. ợc Ví dụ đường dây 110 kV  cột sắt : cao 10 m.  cách điện : - chuồi gồm 7 bát cách điện - điện áp phóng điện U50% : 650 kV, cực tính âm. - Chiều cao của chuỗi sứ: 1,2m.  loại cột :  mức sét Nk : 100 ngày/năm áp dụng số : Ibv = 6,5 kA, va=0,8; n d  0,06  0,09 .10 .100 .0,8.0,6  28,8  43,2 lÇn/100km. n¨m  Eser = 53 kV/ m; =0,6 Số lần cắt điện rất cao. Vì vậy các đường dây cao áp bắt buộc phải bảo vệ bằng treo dây chống sét trên ờng toàn tuyến. 3/31/2014 Page 16
Lưới điện trung tính cách điện (đường dây điện áp tới 35 kV) đ Chạm đất một pha xảy ra khi có phóng điện chuỗi sứ trong mạng trung iện tính cách điện nói chung chưa thể gây ra nhảy máy cắt (cắt điện). Điều a này chỉ xảy ra nếu đồng thời xảy ra phóng điện trên hai hoặc 3 pha. iện pha if/2 if/2 Rp Rp  Trường hợp sét đánh vào dây dẫn gần cột điện là nguy hiểm nhất. iện  Dòng điện sét tại điểm sét đánh có giá trị If (chứ không phải If/ 2). Điện áp xuất hiện ánh trên điện trở nối đất R bằng IfR, còn trên các pha khác cũng xuất hiện điện áp bằng ất kcIfR (kc là hệ số ngẫu hợp giữa các dây pha).  Như vậy trên cách điện của pha bên cạnh điện áp tác dụng sẽ là : (1-kc).IfR. iện U 50% Phóng điện pha này xảy ra nếu như : 1  k c .I s .R  U 50%  I s  I bv  1  k c R 3/31/2014 Page 17
Ví dụ đường dây 35 kV  cột sắt : h=10 m, R = 10  cách điện :  điện áp phóng điện U50% : 350 kV,  Chiều cao của chuỗi sứ: 1,2m.  hệ số ngẫu hợp : kc =0,3  mức sét Nk : 100 ngày/năm áp dụng số ta có Ibv = 50 kA, va=0,15; =0,52; n d  0,06  0,09 .10 .100 .0,15 .0,52  4,68  7,02 lÇn/100km/ n¨m  Số lần cắt điện bé hơn so với đường dây 110 kV trung tính nối đất trực tiếp. Nếu ta giảm điện trở xuống còn 5, thì ờng số lần sự cố giảm còn 0,78 0,78-1,17. 3/31/2014 Page 18
Đường dây không treo dây chống sét thì có thể coi là sét đánh vào dây dẫn như chắc chắn vì vậy trong các ờng trường hợp cần thiết người ta cần bảo vệ đường dây bằng treo dây chống sét. Khi đó thì phần lớn các cú sét sẽ ờng đánh vào dây dẫn hoặc vào cột điện thay vì đánh vào dây dẫn. ánh Dây chống sét không có khả năng bảo vệ dây dẫn tránh sét một cách tuyệt đối, nghĩa là vẫn có một số cú sét đánh ng vòng qua dây dẫn vào dây chống sét. Số lần sét đánh vào dây dẫn phụ thuộc vào góc bảo vệ  xác định bởi : ánh N   N L  trong đó v là xác suất sét đánh vòng. Xác suất này được xác định bằng công thức kinh nghiệm sau : ịnh  Hc log    4 90 với Hp : chiều cao cột chống sét đo bằng mét và  : góc bảo vệ tính bằng độ. 3/31/2014 Page 19
Quá điện áp do sét đánh vào cột điện hoặc vào dây chống sét Khi sét đánh trực tiếp vào cột kim loại, dòng điện sét thoát xuống đất sẽ gây nên tăng thế của kết cấu kim iện loại. Điện áp xuất hiện trên chuỗi sứ cách điện đường dây phụ thuộc vào điện trở nối đât, liên hệ điện từ iện giữa mạch dòng điện sét với dây dẫn Nếu ta mô tả liên hệ này một cách đơn giản bởi tự cảm L của cột điện thì điện áp đặt lên chuỗi sứ có thể n viết như sau Khi điện áp đạt ngưỡng phóng điện xung kích của chuỗi cách điện, phóng điện bề mặt chuỗi sứ xảy ra iện được gọi là phóng điện ngược hoặc "backflashover" (nếu dòng điện sét mang cực tính âm, điện áp xuất ợc hiện trên đỉnh cột cũng mang cực tính âm, quá điện áp pha - đất đặt vào khoảng không khí có dấu ỉnh dương, phóng điện do các cú sét đánh trực tiếp và phóng điện ngược, cực tính điện áp ngược dấu ánh nhau). Khi có dây chống sét, sét được xem đánh chủ yếu vào dây này, giữa dây chống sét và các cột gần điểm ánh sét đánh xuất hiện quá trình truyền và phản xạ phức tạp cuả sóng quá điện áp. ánh dòng điện sẽ phân tán dòng điện sét vào đất trên nhiều cột ất điện, do vậy sẽ giảm được quá điện áp tác dụng lên cách điện iện đường dây. Một phần dòng điện sét sẽ lan truyền dọc theo pha hoặc các iện pha bị phóng điện về phía trạm biến áp hoặc hộ tiêu thụ iện 3/31/2014 Page 20