Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 8 - Bảo vệ chống sét Trạm biến áp

Chia sẻ: Nguyễn Thị Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

392
lượt xem 106
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khi vận hành, máy móc bị sự cố cắt điện, bị nhiễu do sóng sét xâm nhập hoặc khi đang làm việc, sét đánh chết người là vấn nạn cần có biện pháp giải quyết. Bởi vậy, việc bảo vệ chống sét có tầm quan trọng rất lớn để đảm bảo an toàn cho con người, máy móc, công trình và nhà ở. Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 8 - Bảo vệ chống sét Trạm biến áp giúp người học nắm được cách thức bảo vệ chống sét trạm biến áp theo sơ đồ đơn giản, truyền sóng vào trạm qua đoạn cáp, bảo vệ trạm, ví dụ bảo vệ chống sét trạm biến áp, phân bố điện áp trong cuộn dây máy biến áp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp: Chương 8 - Bảo vệ chống sét Trạm biến áp

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 8 : NG BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP O 8.1. Mở đấu 8.2. Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp theo s đồ đơn giản sơ 8.3. Truyền sóng vào trạm qua đoạn cáp oạn 8.4. Bảo vệ trạm 8.5. Ví dụ bảo vệ chống sét trạm biến áp 8.6. Phân bố điện áp trong cuộn dây máy biến áp iện 3/31/2014 Page 1
Yêu cầu bảo vệ chống sét trạm biến áp Trạm biến áp trung gian là trạm biến áp loại lớn. Trạm * Một trạm điển hình có diện tích khoảng 0,1km2. iển * Với mật độ sét là 4 lần trong 1 năm và trên km2 với cường độ hoạt động 10-30 ộ n ngày/năm, số lần trạm biến áp bị sét đánh trung bình một lần trong 2 đến 5 năm m, Nếu như sét đánh trực tiếp vào phần thiết bị của trạm được nối với nhiều đường dây bên ngoài : dòng điện sét ánh có thể truyền ra phía ngoài trạm và quá điện áp trên thanh cái được xác định iện Zc u (t )  i (t ) n Quá điện áp có thể đạt giá trị 800 kV với dòng điện sét rất bé khoảng 2kA. Sẽ xảy ra phóng điện và dẫn đến sự iện cố trong trạm. Nếu có các thiết bị bảo vệ như khe hở phóng điện hoặc chống sét van, chúng có thể bảo vệ các thiết bị đầu tiên trong trạm Nếu sét đánh vào phần làm việc của trạm cách ly với l ánh lưới điện bên ngoài thì vào thời điểm này phần bị sét đánh có thể mô tả bằng một điện dung và quá điện áp có tri số bằng iện u (t )   i(t ) C Dạng quá điện áp này đặc trưng bởi độ dốc và biên độ khá lớn. Trong trường hợp này khoảng khe hở khí có thời ộ gian phóng điện rất lớn nên cả chống sét van và khe hở không thể bảo vệ được các thiết bị iện 3/31/2014 Page 2
Phân tích trên đây cho thấy rằng việc bảo vệ tất cả các phần làm việc của trạm chống sét đánh trực tiếp là không ây thể thiếu Vấn đề bảo vệ chống sét đánh trực tiếp : các trạm biến áp lớn được bảo vệ chống sét đánh thẳng bằng dây chống sét (treo phía trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái) hoặc các cột chống sét kiểu Franklin. ỡ Nếu như sét đánh vào những phần không mang điện áp của trạm nh các xà, cột và nếu tổng trở nối đất của trạm iện như rất thấp thì sét không gây nguy hiểm cho trạm : Phóng điện ngược trên cách điện không thể xảy ra nếu chúng ta thực hiện nối đất tốt và có biện pháp tạo ra mạng lư nối đât. ưới Vấn đề ở đây là cần nghiên cứu bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm, đôi khi điểm bị sét ây đánh có thể nằm khá xa trạm. Khi sét đánh vào đường dây sẽ dẫn đến quá điện áp khí quyển lan truyền từ điểm sét đánh dọc theo đường dây về iện phía trạm biến áp nối với đường dây. Trong quá trình truyền sóng nếu biên độ sóng điện áp vẫn còn lớn hơn mức ờng cách điện đường dây thì vẫn còn sóng quá cắt (do phóng điện trên chuỗi cách điện đường dây) tiếp tục lan truyền về ờng phía trạm. Bảo vệ chống quá điện áp do sét đánh từ đường dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao vì trong trạm có những ờng thiết bị quan trọng như MBA máy cắt điện... Cách đ của các thiết bị này lại yếu hơn nhiều so với cách điện của điện đường dây. Do đó những sóng xuất hiện bởi sét sẽ gây nguy hiểm đối với thiết bị ó 3/31/2014 Page 3
Bảo vệ trạm chống sóng quá điện áp khí quyển Bảo vệ chống quá điện áp do sét đánh từ đường dây truyền vào trạm có yêu cầu rất cao vì trong trạm có ờng những thiết bị quan trọng như MBA máy cắt điện... Cách điện của các thiết bị này lại yếu hơn nhiều so với iện... cách điện của đường dây. Chỉ tiêu bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là một số liệu quan trọng nó cho phép đánh giá mức độ an toàn với Chỉ sóng quá điện áp của trạm. Tuy nhiên việc tính toán khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn, do tham số của sóng iện l truyền từ đường dây vào trạm rất khác nhau (phụ thuộc vào dòng điện sét, kết cấu đường dây, vị trí sét đánh). Do ờng đó việc tính toán chống sóng truyền phải tính với nhiều tham số khác nhau và dựa vào đó tìm ra tham số tới hạn ó nguy hiểm của sóng truyền vào trạm. Với trị số tới hạn của tham số sóng sét, biết phân bố xác suất của chúng có thể tính được chỉ tiêu bảo vệ chống sét truyền vào trạm ợc Phương pháp bảo vệ chống sóng truyền vào trạm là tìm cách "san bằng" quá điện áp truyền tới, với mục đích ng đưa chúng về các trị số tương thích với mức chịu đựng của các thiết bị điện : cần đảm bảo rằng mức cách điện ựng xung kích BIL (Basic Impulse Level) của tất cả các thiết bị trong trạm không bị vvượt quá (phối hợp cách điện). Nguyên tắc bảo vệ là tạo ra một mạch điện tản dòng điện sét vào đất do phóng điện hoặc do dãn điện. Hai laọi iện thiết bị được dùng để bảo vệ chống sóng truyền là khe hở phóng điện và chống sét van. ể Việc sử dụng các chống sét van hoặc khe hở phóng điện chỉ có hiệu quả trong các trường hợp bố trí đúng Việc thiết bị bảo vệ, đặc biệt là khoảng cách từ thiết bị bảo vệ đến thiết bị cần bảo vệ và tình hình nối đất của trạm. ặc Từ đó đẫn đến khái niệm "khoảng cách bảo vệ". 3/31/2014 Page 4
bảo vệ đoạn đường dây dẫn ở đoạn gần tới trạm Cũng cần lưu ý rằng chống sét van chỉ có thể thông thoát dòng điện có biên độ và độ dài nhất định không bị phá u huỷ. Đặc tính này là nền tảng để phân loại các chống sét van, mà tham số chính là dòng điện phóng điện được sử ể dụng trong các thí nghiệm. Thông thường dòng điện này có giá trị từ 5kA đến 10kA . iện Dòng điện qua chống sét van khi có sét đánh vào đường dây cách xa trạm (vài kilomét) ờng 2U p 2U 50% * U50% là mức cách điện I  Zc Zc Zc là tổng trở xung kích của đường dây. * Đối với đường dây điện áp 110 kV: U50%=650 kV, Zc=400, ta tính được I=3,25kA ờng Nếu sét đánh vào gần trạm, do phản xạ nhiều lần từ đ điểm sét đánh, dòng điện qua chống sét van có trị số R I  Is * R là điện trở nối đất xung kích của cột R  Rcsv * Rcsv là điện trở của chống sét van Với chống sét van 110 kV, Ucsv=365 kV, điện trở của chống sét van ở dòng điện 10kA bằng 36,5. Nếu nối đất có trị số điện trở nối đất R=10 và dòng điện sét tính theo ất 150kA, ta tính được phần dòng điện qua chống sét van bằng 32,11kA. Trị số này lớn ợc hơn nhiều khả năng chịu của chống sét van ng 3/31/2014 Page 5
Để dòng điện qua chống sét van không vượt quá giới hạn cho phép thì trở nối đất của mọi cột điện trong đoạn gần ợt tới trạm phải đạt trị số rất bé (trong ví dụ trên, R cần phải nhỏ h 2,62). ạt hơn Nếu không thực hiện được nối đất tốt như vậy thì cần phải loại trừ khả n năng sét đánh trực tiếp vào đoạn đường dây dẫn ở đoạn gần tới tới trạm. Với mục đích đó, đoạn đường dây 1 đến 2 km dẫn đến trạm thường được ích bảo vệ bằng cách treo dây chống sét hoặc cột thu sét Việc bảo vệ đoạn đường dây dẫn ở đoạn gần tới trạm không chỉ có tác dụng đảm bảo điều kiện làm oạn việc bình thường của chống sét van mà còn có tác dụng giảm độ dốc của sóng truyền vào trạm. ờng ở trạm biến áp, chống sét van có thể được đặt ở thanh góp nên giữa nó tới thiết bị luôn có một khoảng cách nhất ặt định. Điện cảm của dây nối từ chống sét van đến thiết bị và điện dung của cách điện thiết bị sẽ hình thành mạch ến giao động L-C làm cho điện áp đặt trên thiết bị có thể v ặt vượt quá trị số điện áp dư của chống sét van. Độ chênh lệch càng lớn khi chống sét van đặt càng xa thiết bị và sóng truyền vào trạm có độ dốc càng lớn. Để có thể dùng số ít ặt chống sét van mà vẫn bảo vệ được toàn bộ các thiết bị trong trạm, phải hạn chế độ dốc sóng bằng cách trước khi ợc vào trạm sóng phải truyền qua một đoạn đường có chiều dài nhất định. Vầng quang xuất hiện trên đoạn này sẽ làm ờng giẩm độ dốc của sóng 3/31/2014 Page 6
Dạng sóng tính toán Zc Khi sét đánh vào dây dẫn thì biên độ điện áp xuất hiện trên dây dẫn bằng iện U dd  I s  100 I s 4 Với dòng điện sét bé, điện áp Udd
Khái niệm "khoảng cách bảo vệ" sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây về phía trạm biến áp gồm một máy biến áp ờng được bảo vệ bởi một chống sét van + tổng trở xung kích : Zc. + vận tốc truyền sóng : v. + khoảng cách chống sét van - máy biến áp : D + thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B : t = D/v. CSV có đặc tính phi tuyến lý tưởng : khi điện áp v iện vượt quá ngưỡng Up, nó dẫn điện tức thì và điện áp giới hạn bằng Up. tổng trở nối đất bằng không; dây nối đường dây - chống sét van, chống sét van - đất ngắn bằng không máy biến áp : ở tần số công nghiệp, tổng trở đầu vào lớn hơn Zc rất nhiều, và khi sóng điện áp tới máy biến áp hầu như nó sẽ phản xạ toàn phần ( (điện áp tăng gấp hai lần tại điểm phản xạ). 3/31/2014 Page 8
Quá điện áp lớn nhất trên máy biến áp Trường Tiêu chuẩn Quá điện áp lớn nhất trên máy biến iện Nhận xét hợp áp 1 với T2 r .D    Đầu sóng r chậm, khoảng cách D rất ngắn U p  2  U p 1  2  v  T  CSV có tác dụng hạn chế điện áp lớn nhất trên máy biến áp theo hiệu vU p   ứng khoảng cách D. D   r .D 2  U p 2  2r  v T  Khái niệm khoảng cách bảo vệ 3 với T=2 r .D Nằm giữa hai trường hợp Up 2  U p  U p  2U p vU p v D  2r a.D Nếu điện áp xung kích lớn nhất có thể chấp nhận đối với máy biến áp được cố định bằng 1,3 iện 1,3U p  U p  2 v lần Up, ta có U p .v D  0,15  0,15 .T .v khoảng cách chống sét van - máy biến áp a VÝ dô víi Up = 1200 kV, v = 300 m/ m/s, a = 2 000 kV/s D 27 m dây nối của chống sét van với thiết bị và với đất; đặc tính thức tế của chống sét van; kết cấu của mạng với các điểm gián đoạn ttống trở và vận tốc truyền sóng oạn các phần tử mang tính chất điện dung trong đó có máy biến áp iện 3/31/2014 Page 9
Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp 1 (đầu sóng chậm) 3/31/2014 Page 10
Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp 1 (đầu sóng chậm) Sự phân bố theo thời gian của điện áp trên mạch bảo vệ bằng chống sét van 3/31/2014 Page 11
Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp 2 (đầu sóng chậm) 3/31/2014 Page 12
Giản đồ truyền sóng điện áp ứng với trường hợp 2 (đầu sóng chậm) Biểu đồ qúa điện áp lớn nhất trên máy biến áp (điểm B) theo hàm của T với t cho trước (trường hợp ) Sự phân bố theo thời gian của điện áp trên mạch bảo vệ bằng chống sét van iện 3/31/2014 Page 13
Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp theo sơ đồ đơn giản A l B Up sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây về ờng f phía TBA gồm một MBA được bảo vệ bởi một CSV có ợc khe hở, MBA đặt trước CSV C Trường hợp thứ nhất : không xét ảnh hưởng của điện dung C ởng Up A l B f Do điện áp trên chống sét van hầu như không đ khi điện áp thay đổi khá lớn nên ta có thể coi nó đổi như một nguồn dòng với điện áp bằng điện áp d iện dư. 3/31/2014 Page 14
U 2U p U p Điện áp tại điểm A bao gồm sóng điện áp tới Up và sóng phản iện U xạ từ đầu cuối trở về. C SV U i U i /2 U d t tp Tại điểm B, sóng phản xạ được xác định theo biểu thức : ịnh U = U - U r C SV p U r  2U CSV  U p Khi sóng này về tới điểm A, nó chậm một khoảng thời gian 2 so với sóng tới Up, khoảng thời gian này iểm 2 bằng : 2  2l 2 v U Up tp + 2  . U 'i Ui U im a x Ud Chúng ta xếp chồng sóng phản xạ từ điểm B trở về lên iểm sóng tới Up. 2 t Ur f Do đó điện áp lớn nhất trên cách điện của thiết bị cần bảo vệ có giá trị bằng : iện     U i max  a t p  2  at p  a 2t p  2  U a  2a 3/31/2014 Page 15
Trong trường hợp với 2  t p   f Như vậy điện áp lớn nhất trên cách điện tại điểm A v iểm vượt quá điện áp trên CSV một lượng 2a  2al v tỉ lệ với độ dốc a và khoảng cách l giữa thiết bị cần bảo vệ và chống sét ộ van với. Trong trường hợp ngược lại với 2  t p   f ta có : Ua U i max  U p max  2 Trường hợp này rõ ràng không thể được sử dụng vì sóng quá điện áp lớn hơn ờng mức cách điện của trạm, chống sét van không có khả n iện năng bảo vệ thiết bị chống sóng quá điện áp lan truyền tới. iện 3/31/2014 Page 16
Khi sóng lan truyền qua điện dung C, độ dốc của sóng giảm đôi chút.. ộ điện áp trên chống sét van điện áp trên cách điện U Up 1 U 2Up Up U'' i 1 U' i Uparaf Ui Uresiduelle t t 4 3 b) 1 : sóng tới điểm B; 3 : sóng phản xạ từ; 4 : sóng phản xạ về tới điểm A. 3/31/2014 Page 17
Nghiên cứu bảo vệ chống sét trạm biến áp theo sơ đồ đơn giản A B Up l sóng quá điện áp lan truyền dọc theo đường dây về phía ờng f TBA gồm một MBA được bảo vệ bởi một CSV có khe hở, CSV đặt trước MBA C Trường hợp thứ nhất : không xét ảnh hưởng của điện dung C ởng Trong trường hợp này, tính toán điện áp trên máy biến áp và tr trên chống sét van có phần phức tạp h bởi vì chúng ta cần hơn xét phản xạ nhiều lần của sóng tới trên đoạn AB. Với C=0 ( (đường dây hở mạch), tại điểm B sóng phản xạ lặp lại biên độ và dạng sóng tới (phản xạ dương toàn phần) và tại điểm A sóng phản xạ có tể xác định theo phương pháp đồ thị Do tính chất phi tuyến của CSV, điện áp trên các đ kẹp của nó vẫn hầu như giữ nguyên khi có dòng đầu điện sét đi qua. Có thể coi nó như một nguồn áp không đổi. Dạng điện áp trên cách điện cuả thiết bị cần bảo vệ có dạng giao động quanh điện áp dư của CSV Chu kỳ giao động được xác định bằng cách tương tự nh khi cuối đường dây hở ng như T  4  4 l v mạch 3/31/2014 Page 18
Phóng điện các khe hở của chống sét van xảy ra khi điện áp phản xạ từ điểm iện B về tới điểm A với tp>2. Điện áp lớn nhất trên cách điện có trị số bằng . Ui max  U a  2a Còn nếu phóng điện xảy ra trước khi sóng phản xạ trở về (tp
Kết luận Từ các phân tích hai trường hợp trên đây, chúng ta có các kết luận sau : ây, nếu chống sét van đặt sau máy biến áp (thiết bị cần bảo vệ), điện áp lớn nhất tác dụng lên cách ặt điện phụ thuộc vào độ dốc của sóng tới và có thể lớn hơn điện áp phóng điện (hoặc điện áp dư) ộ h của chống sét van tới hai lần. Điện dung có thể làm cho điện áp này giảm đôi chút. nếu chống sét van đặt trước thiết bị cần bảo vệ, điện áp trên cách điện có dạng giao động tắt ớc dần xung quanh điện áp dư của chống sét van. t tăng điẹen dung C có thể làm tăng điện áp trên cách điện nhưng không thể vượt quá hai lần điện áp dư của chống sét van. ợt 3/31/2014 Page 20