đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp

tính toán chỉ tiêu bảo vệ chống sét đờng dây
Đờng dây trong HTĐ làm nhiệm vụ truyền tải điện năng đến các hộ dùng
điện. Đờng dây là phần tử phải hứng chịu nhiều phóng điện sét nhất so với các
phần tử khác trong HTĐ. Khi đờng 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 đờng dây, buộc máy cắt
đầu đờng dây phải tác động. Nh vậy việc cung cấp điện bị gián đoạn. Nếu điện
áp nhỏ hơn trị số phóng điện xung kích của cách điện đờng dây thì sóng sét sẽ
truyền từ đờng dây vào trạm biến áp và sẽ dẫn tới các sự cố trầm trọng tại trạm
biến áp. Vì vậy bảo vệ chống sét cho đờng dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế
kết hợp với yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu cung cấp điện của đờng dây đó.
2.1- lý thuyết tính toán.
2.1.1- Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét.
Phạm vi bảo vệ của dây chống sét đợc thể hiện nh ( hình 2-1 )

h
x
Hình 2-1:

.
1,2h
0,6h
h
x
h
0,2h
Dây chống sét
Trang
7

Có thể tính toán đợc trị số giới hạn của góc là = 31
0
, nhng trong thực tế
thờng lấy khoảng = 20
0
ữ 25
0
.
2.1.2- Xác suất phóng điện sét và số lần cắt điện do sét đánh vào đ ờng dây.
Với độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét )
là h, đờng 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 đờng dây (l). Từ số lần phóng điện
sét xuống đất trên diện tích 1 km
2
ứng với một ngày sét là 0,1ữ0,15 ta có thể tính
đợc tổng số lần có sét đánh thẳng vào đờng dây (dây dẫn hoặc dây chống sét).
N=(0,6ữ0,9). h .10
-3
.l.n
ng.s
(2 3)
Trong đó:
+ h: độ cao trung bình của dây dẫn hoặc dây chống sét (m).
+ l: chiều dài đờng dây (km ).
Trang
8
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
+ n
ng. s
:số ngày sét /năm trong khu vực có đờng dây đi qua.

= (E
lv
) ; E
lv
= U
lv
/l
pđ
(kV/m ).
Trong đó:
+ : xác suất hình thành hồ quang.
+ U
lv
: điện áp làm việc của đờng dây ( kV ).
+ l
pđ
: chiều dài phóng điện ( m).
Do đó số lần cắt điện do sét của đờng dây là:
N
cđ
= N
pđ
. . = (0,6ữ0,9). h. n
ng .s
. v
pđ
. . (2 5)
Để so sánh khả năng chịu sét của đờng dây có các tham số khác nhau, đi qua
các vùng có cờng độ hoạt động của sét khác nhau ngời ta tính trị số " suất cắt đ-
ờng dây" tức là số lần cắt do sét khi đờng dây có chiều dài 100km.

c
: số lần cắt do sét đánh vào đỉnh cột.
+n
kv
: số lần cắt do sét đánh vào khoảng vợt.
+ n
dd
: số lần cắt do sét đánh vào dây dẫn.
!"#$$%&'"
Đờng dây tính toán l = 150km. (Ninh Bình Hà Đông)
Xà đỡ kiểu cây thông, lắp trên cột bê tông đơn.
Dây chống sét treo tại đỉnh cột.
Dây dẫn đợc treo bởi chuỗi sứ - 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-120mm có d = 19mm; r = 9,5mm.
Khoảng vợt là 150m.
(")&)*+*$,-.
Độ treo cao trung bình của dây đợc xác định theo công thức:
h
dd
= h 2/3f . (2 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.
f
dd
= . l
2
/ 8. . (2 9)
= p/s =492/120. 1000 = 0,0041.

dd
= 1,8 m.
f
cs
= 1,5 m.
Độ treo cao trung bình của dây dẫn theo (2-9) là:
h
dd
cs
= h
cs
2/3 f
cs
= 16,2 2/3.1,5 = 15,2m.
h
dd
tbA
= h
dd
A
2/3 f
dd
= 12 2/3. 1,8 = 10,8 m.
h
dd
tbB
= h
dd
B
2/3 f

d
cs
cho hệ số hiệu chỉnh vầng quang.
= 1,3 ( tra bảng 3-3 sách hớng dẫn thiết kế kỹ thuật điện cao áp).
Z
dvq
cs
= Z
d
cs
/ = 517/1,3 = 397,69 .
Trang
11
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
4 5.$678.9"7
Công thức (2 11) đợc xác định theo hình (2 4).

2'
h
2
D
12
1 (A;B;C)
d
12
2
Hình 2-4:
7:$;<$=)>
.


dd
A
= 10,8m ; h
dd
B
= h
dd
C
= 7,8m ; h
dd
cs
= 15,2m.
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 nh hình ( 2 5).
Với pha A:
m,,,)IA()ID(d 4645124
2222
12
=+=+=
Trang
12
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
D

'
K
B
C
1,75m
A

464
524
3
,
.,
,.
ln
,
,
ln
K ==

Khi có vầng quang: K
A-cs
vq
= K
A-cs
. = 1,3. 0,19768 = 0,257.
Hệ số ngẫu hợp pha B (hoặc pha C )với dây chống sét:
Trang
13
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
10
1055
2152
417
0818
3
,
.,

AA
===
0
66132430
27
751
,,
,
,
tgtg
CBCB
=====
A B#C)"-) D
áp dụng công thức (2-4) với l = 100km ; h
dd
cs
= 15,2 m ; n
ng.s
= 70ngày/ năm ;
mật độ sét = 0,15. Ta có:
N = 0,15. 6 . 15,2. 70. 100. 10
-3
= 96 lần/ 100km. năm.
Từ cơ sở lý thuyết và các kết quả trên ta tiến hành tính toán suất cắt cho đờng
dây với ba khả năng đã nêu đối với đờng 110kV.
2.2 - tính suất cắt của đ ờng dây 110kv do sét đánh vòng
qua dây chống sét vào dây dẫn.
Đờng dây có U 110kV đợc bảo vệ bằng dây chống sét, tuy vậy vẫn có
những trờng hợp sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. Tuy xác suất này
nhỏ nhng vẫn đợc xác định bởi công thức sau:

I
s
/4
I
s
/ 2
I
s
Z
0
Hình (2 6):
EF)?)"-.
Có thể coi dây dẫn hai phía ghép song song và Z
dd
= (400ữ500) 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:

)(
I
Z
Z
Z
II
s
dd
s
132
2
2

U
Z.I
50
4

Hay độ lớn của dòng điện sét có thể gây nên phóng điện trên cách điện là:

dd
s
%
s
Z
U
I
50
4

Ta có xác suất phóng điện trên cách điện là:
Trang
15
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
)152(eeV
dd
s
%50
s
Z.1,26
U.4
1,26
I

pđ
: Chiều dài đờng phóng điện lấy bằng chiều dài chuỗi sứ ( m ).
+ U
lv
: Điện áp pha của đờng dây.
)m/kV(,
,.
E
lv
952
213
110
==
Dựa vào bảng (21 1) sách giáo trình kỹ thuật điện cao áp vẽ đồ thị và
bằng phơng pháp nội suy ta có: = 0,63
Bảng 2 1: (")&,-G<$
)m/kV(
l
U
E
pd
lv
lv
=
50 30 20 10
(đơn vị tơng đối)
0,6 0,45 0,25 0,1
Ta có suất cắt do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:
n
dd

dd
tăng,
vậy ta chọn pha A là pha có góc bảo vệ lớn nhất và h
dd
A
lớn hơn so với pha B
và pha C để tính suất cắt cho đờng dây.
Pha A có
A
= 19,65
0
; h
dd
A
= 10,8m.
Z
dd
A
= 463,75 ; h
cs
= 16,2m.
Thay các số liệu trên vào công thức ( 2 12 ) ta có:
3
1075601234
90
2166519

=== .,V,
,.,
Vlg

dd
= 96. 0,756.10
-3
. 0,804. 0,63. = 0,03676 lần / 100km. năm.
Trang
17
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
2.3- Tính suất cắt của đ ờng dây 110kV do sét đánh vào
khoảng v ợt.
Theo sách hớng dẫn thiết kế Kỹ thuật điện cao áp thì số lần sét đánh vào
khoảng vợt là:
N
kv
= N / 2 ( 2 19)
Trong đó: N là số lần sét đánh vào đờng dây đã đợc tính ở trên mục (2.1.4) N
= 96 lần / 100km. năm.
Vậy N
kv
= 96 / 2 = 48 lần / 100km. năm.
Trong 48 lần sét đánh vào khoảng vợt thì xác suất hình thành hồ quang khi
phóng điện đã đợc xác định tại mục [ 2.2 ] bằng phơng pháp nội suy trên hình
(2-7) đợc = 0,63. Suất cắt của đờng dây 110kV do sét đánh vào khoảng vợt nh
sau:
n
kv
= N
kv
. V
pđ
. (2 20)

a
,
I
(
a,I
ss
eV
910126
+
=
(2 22)
Tại thời điểm t
i
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:
Trang
18
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp






=
=+

=
iii

tại thời điểm t
i
:

Z
U)t(U
a
lvipd
i

=
(2 26)
Z là hằng số đối với I và a nên có thể tính đợc:
a
U)t(U
Z
lvipd

=
(2 27)
Từ ( 2 26 ) và ( 2 27 ) ta có:
a
)t(U
U)t(U
a
icd
lvipd
i



, với:
910126 ,
a
a
,
I
i
ii
eV;eV

==
Bằng phơng pháp gần đúng và tuyến tính hoá đờng cong nguy hiểm chia đ-
ờng cong thành: n = ( 10 ữ 15 ) khoảng, ta có:

=
=
n
i
aIpd
ii
V.VV
1
Sau khi xác định đợc V
pđ
, thay số vào ( 2 20 ) ta có suất cắt do sét đánh
vào khoảng vợt của đờng dây 110kV.
2.3.2- Trình tự tính toán.
Để đơn giản hoá trong tính toán, coi nh sét đánh vào khoảng giữa của dây
chống sét trong khoảng vợt, khi đó dòng điện sét đợc chia đều cho hai phía của
dây chống sét nh hình (2 9 ).

Trang
20
( 2 29 )
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Điện áp trên dây chống sét tại đỉnh cột có trị số U
cs
là:
( )
cccccccs
Lt.R
a
L
a
R
t.a
dt
t.a
d
.LR
t.a
U +=+=






+=
222
2

vq
.U
cs
+ U
lv
Trong đó:
+ U
lv
là điện áp trung bình của pha.
kV,
,
U
.U.
dt.t.sin.U.
U
lv
lv
1757
3
2
110
143
2
3
22
3
21
0
==


U
cđ
= U
cs
. (1- K
vq
) + U
lv
( )
( )
lvvqcccd
UK.Lt.R.
a
U ++= 1
2
Từ biểu thức ( 2 32 ) ta thấy khi K
vq
nhỏ thì U
cđ
lớn do vậy theo tài liệu h-
ớng dẫn thiết kế tốt nghiệp cao áp thì khi tính toán phải tính với pha có hệ số
ngẫu hợp nhỏ nhất ở mục ( 2.1.3.3 ) ta có:
1302570 ,KK;,K
vq
csC
vq
csB
vq
csA
===

40 499 796 1093 1390 1688 1985 2282 2579 2876 3174
50 609 981 1352 1724 2095 2467 2838 3210 3581 3953
60 720 1165 1611 2057 2503 2949 3394 3840 4286 4732
70 830 1350 1870 2390 2910 3431 3951 4471 4991 5511
80 940 1535 2129 2724 3318 3912 4507 5101 5696 6290
90 1051 1720 2388 3057 3726 4394 5063 5732 6400 7069
100 1161 1904 2647 3390 4133 4876 5619 6362 7105 7848
Từ các giá trị trên ta vẽ đờng U
cđ
= f(t) và a, trên hình vẽ còn thể hiện đờng
đặc tính (V- S) của chuỗi cách điện
Đờng đặc tính vôn giây (V S) của chuỗi cách điện sẽ cắt các hàm U
cđ
=
f(a; t; R
c
) tại các vị trí mà từ đó ta có thời gian xảy ra phóng điện trên chuỗi sứ
nh hình (2 11).
Đặc tuyến vôn giây (V-S) của chuỗi sứ đợc tra trong bảng 25 sách hớng
dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp
Bảng ( 2 3 ): /='O PQ BR$S")
t(às)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U
pđ
(kV) 1020 960 900 855 830 810 805 800 797 795
Từ các giá trị trên ta vẽ đợc đờng f(t) và a, trên hình vẽ này còn thể hiện đờng
đặc tính vôn giây (V-S) của chuỗi cách điện. Ta có đồ thị hình (2 11)
Từ đồ thị hình (2 10 ) ta có:
t

pđ
là xác suất mà tại đó có các cặp thông số (I
i
;a
i
)
thuộc miền nguy hiểm
{ }
N)I;a(PV
pd
=
- Các cặp số (I
i
; a
i
) 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
(I
i
; a
i
) thuộc miền nguy hiểm.
dV
pđ
= P (a a
i
) P (I I
i
). ( 2 33 )
Trong đó:

i
) = P( a
i
da a a
i
+ da ) = dVa
Với:
( )
i
,
a
a
aaPeV
i
==

910
Thay vào biểu thức ( 2 34 ) đợc:
dV
pđ
= V
i
.dV
a


=
1
0
aIpd

aiIipd
VVV
Với :
9,10
a
a
1,26
I
I
ii
eV;eV

==
Do trong tính toán về đờng 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 đợc các kết quả nh bảng (2 4 ). Tính đợc V
p.đ
= 0,00767.
2.3.3- Tính suất cắt tổng do sét đánh vào khoảng v ợt đ ờng dây tải điện 110kV.
Suất cắt do sét đánh vào khoảng vợt đợc xác định theo công thức:
n
kv
= N
kv
. V
pđ
. (lần / 100km. năm ) ( 2 35 )
N
kv
= N/ 2 = 96/ 2 = 48

đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
2.4.1- Lý thuyết tính toán.
Khi sét đánh vào đỉnh cột đờng 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 đờng dây khi sét đánh vào đỉnh cột có treo dây
chống sét là:
lvcs
d
cu
is
dd
iC
dd
ccccd
U)t(kU)t(U
dt
d
)t(M
dt
d
LRi)t(U ++++=
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:
dt
d
LRi
ic
dd

)
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
thuộc vào điện áp đi trong cột và dây chống sét. Để tính toán các thành phần này
có thể dựa vào sơ đồ tơng đơng của mạch dẫn dòng điện sét. Ta chia làm hai tr-
ờng hợp:
V1* D67 W7IXT*3Y
v
l.
t
kv
2


Trong đó :
+ l
kv
: là chiều dài khoảng vợt
+ = c. với: c là tốc độ ánh sáng ;
: tốc độ phóng điện ngợc tơng đối của dòng sét.
Sơ đồ tơng đơng của mạch dẫn dòng điện sét nh hình ( 2 13 )
Hình ( 2 13 ): B)G)).F?
7I9
Trong sơ đồ dòng sét đợc coi nh một nguồn dòng, còn thành phần từ của điện
áp cảm ứng trên dây chống sét nh một nguồn áp.
M
cs
là hỗ cảm giữa kênh sét và mạch vòng " dây chống sét - đất ".




h
c
: độ cao của cột.
+H = h
dd
+ h
cs
;
Trang
27
i
c
i
cs
i
cs
i
s
2
vq
cs
Z
dt
di
tM
s
cs
).(
2i
cs









+= 1
h
H
ln
h2
h
r
H2
lnh.2,0L
ddtd
dd
dd
c
( 2 38 )
Khi tính cho dây chống sét ta chỉ việc thay h
dd
bởi h
cs
r
td
: Bán kính tơng đơng của dây tiếp địa từ cột xuống cọc nối đất chính là dây
dẫn dòng sét trong thân cột.

cc
2
0
2
2

Giải hệ phơng trình nàyđợc kết quả là:









=
1
2
vq
cs
cs
vq
cs
vq
cs
c
Z
)t(Mt.Z
Z

cs
tb
cs
cs
r
h.
ln.Z
2
60
=
(2 40 )
Trang
28
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Trong đó:
2
3
2
ds
r
fhh
cs
cscs
tb
cs
=
=
Điện áp giáng trên dây chống sét U
cs
(t) =i

s
i
c
2

L
Hình 214: B)G).F)?7I9
L
cs
: là điện cảm của một khoảng vợt dây chống sét khong kể đến ảnh hởng
của vầng quang.
c
i.Z
L
kvcs.o
cs
=
Trong đó: + Z
o.cs
: là tổng trở sóng của dây chống sét không kể đến ảnh hởng
của vầng quang .
+ l
kv
: chiều dài khoảng vợt
+ c : tốc độ ánh sáng c =300/às
Trang
29
( 2 41 )
đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện cao áp
Từ sơ đồ ta xác định đợc:

=


c
cscs
L.L
R
2
2
2
+
=
4 1-7C))"7]
Khi không có dây chống sét:
( ) ( ) ( )
( )
)(
H.h.
Ht.V.ht.V.ht.V
ln.
a.h.,
)t(U
cv
dd
d
cu
442
1
10
2

điện sét. Do đó để tính thành phần từ của điện áp cảm ứng ta phải xác định
M
dd
(t).
)(
h
H
ln.
h
h
H).(
Ht.v
lnh,)t(M
dd
dd
dd
4621
21
20








+



Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột: n
c
= V
pđ
. N
c
.
2.4.2- Trình tự tính toán.
Số lần sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột.
N
c
=N/2 = 96/2 = 48 lần /100km.năm
Xác suất hình thành hồ quang: = 0,63
Xác định V
pđ
:
Để xác định V
pđ
ta phải xác định điện áp đặt trên chuỗi cách điện khi sét
đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột.
R
c
= 20
L
c
dd
= L
o
.h
dd

.
h
h.K
)t(U
c
c
A
dd
A
dd
cs
d
cu
482
1
10
1
2









+
+++


Trang
31