Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

1
MỤC LỤC

Lời nói đầu 3
Phần I: Phần đồ án
Chương I. Tính chỉ tiêu chống sét cho đường dây 220 kV
1.1 Lý thuyết tính toán 4
1.2 Trình tự tính toán 6
1.2.1 Các thông số cho trước 6
1.2.2 Tính toán một số thông số cần thiết 7
1.2.3 Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây 11
1.2.4 Suất cắt của đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn 11
1.2.5 Suất cắt của đường dây do sét đánh vào khoảng vượt 13
1.2.6 Suất cắt của đường dây do sét đánh vào đỉnh cột và lân cận đỉnh cột 23
Chương II. Tính toán bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp từ đường dây 220
kV
2.1 Mở đầu 45
2.2 Phương pháp tính điện áp trên cách điện của thiết bị khi có sóng vào trạm 46
2.2.1 Phương pháp lập bảng 46
2.2.2 Phương pháp đồ thị 49
2.2.3 Phương pháp tiếp tuyến 50
2.3 Trình tự tính toán 51
2.3.1 Lập sơ đồ thay thế rút gọn trạng thái nguy hiểm nhất cuả trạm 52
2.3.2 Thiết lập phương pháp tính điện áp các nút trên sơ đồ dút gọn 57
2.3.3 Các đặc tính cách điện của thiết bị tại các nút cần bảo vệ 61
Chương III. Tính toán chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 220/110 kV
3.1 Mở đầu 64
3.2 Các yêu cầu kỹ thuật 65
3.3 Đặc điểm về kết cấu cột thu lôi 66

3 Xác định tổn hao công suất và tổn hao điện năng do vầng quang cục bộ 154
3.1 Mở đầu 154
3.2 Xây dựng phương pháp giải tích đồ thị để tính tổn hao công suất và tổn
hao điện năng do vầng quang trên đường dây siêu cao áp 156
4 Tính tổn hao vầng quang trên đường dây tải điện siêu cao áp 500 kV
Bắc Nam đoạn Hòa Bình – Hà Tĩnh 162
C, Viết chương trình phần mềm tính toán cho phần chuyên đề 164
1 Giới thiệu chương trình 164
2 Sơ đồ khối của chương trình 165
3 Hướng dẫn sử dụng chương trình 166
D, Nhận xét 171
E, Một số đề suất để giảm tổn thất vẩng quang 172
Tài liện tham khảo 173
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

3
LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng nó bao gồm các nhà
máy điện, mạng lưới điện và các hộ tiêu thụ điện. Nhà máy điện có nhiệm vụ
biến đổi năng lượng sơ cấp như nhiệt năng, cơ năng…thành điện năng. Mạng
lưới điện truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ điện.
Giông sét là hiện tượng tự nhiên, là sự phóng tia lửa điện khổng lồ trong
khí quyển giữa các đám mây và mặt đất, khi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào
các công trình điện, không những gây thiệt hại về mặt kinh tế mà còn đe doạ đến
tính mạng của con người. Vì thế cần thiết phải có các hệ thống chống sét và biện
pháp để bảo vệ an toàn khi có sét đánh vào trạm biến áp.
Cùng với sự phát triển của hệ thống điện các đường dây siêu cao áp cũng
ngày càng được sử phát triển, vì lí do đó mà trong đồ án tốt nghiệp này em xin
được trình bày thêm về phần “nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến tham số
đường dây siêu cao áp khi lựa chọn kết cấu phân pha”, và mạnh dạn viết chương

Việc bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối không thể thực hiện
được vì vốn đầu tư vào đường dây qúa lớn như tăng cường cách điện đường dây
và đặt các thiết bị bảo vệ chống sét…
Do đó phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét
của đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế, tức là phải tìm phương thức bảo
vệ đường dây sao cho tổn hao do sét gây ra thấp nhất.
Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây là do sét đánh trực tiếp
vào đường dây, vào dây chống sét, vào cột đường dây, thậm chí đánh xuống đất
trong phạm vi gần đường dây.
I.1 Lý thuyết tính toán:
Với độ cao treo dây 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 sét trên giải
đất có chiều rộng 6h và chiều dài bằng chiều dài đường dây L. Từ số lần có
phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1
2
km
ứng với một ngày sét là (0,1
15
,
0

) có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng lên đường dây hàng năm:

ngs
3
nL10h6)15,01,0(N 
ngs

3
pđ
nL10h)9,06,0( 

(1-2)
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

5
Trong khi thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ rơle là không bé qúa
một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là 0,01s, thời gian tác động của quá điện
áp khí quyển là rất nhỏ chỉ khoảng
s
100

, do đó phóng điện xung kích chỉ gây
nhảy máy cắt đường dây khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện đường
dây chuyển thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của lưới điện. Xác suất
chuyển từ tia lửa phóng điện xung kích thành hồ quang duy trì phụ thuộc vào
nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là gradiên của điện áp làm việc dọc
theo đường phóng điện. Trị số građiên càng lớn thì việc duy trì điện dẫn trong
khe hở phóng điện và chuyển thành hồ quang càng thuận lợi.
Với xác suất hình thành hồ quang là

thì số lần cắt điện do sét đánh hàng
năm của đường dây:

3
pdngscđ
10nLh)9,06,0(n


Trong đó:


: góc bảo vệ của dây chống sét (độ)

c
h : chiều cao cột điện (m)
- Khi sét đánh xuống đất gần khu vực đường dây thì dưới tác dụng điện từ
trường dòng sét, trên dây dẫn sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng, nếu biên độ điện áp
cảm ứng vượt quá mức cách điện đường dây (U
50%
) thì sẽ gây phóng điện trên
cách điện đường dây. Số lần phóng điện do quá điện áp cảm ứng trên chiều dài
100 km đường dây hàng năm:

260
U
%50
ngs
pđ
%50
e
U
hn)4,236,15(
N



(1-6)
Trong đó:

N
c





(1-8)
- Số lần đánh vào điểm giữa khoảng vượt và lân cận khoảng vượt:

2
N
2
N-N
N
kv





(1-9)
I.2 Trình tự tính toán:
I.2.1 Các thông số cho trước:
Với lộ đường dây đi Sơn La ta có:
- Dây dẫn là dây nhôm lõi thép AC400/64 có tiết diện phần nhôm F
A
=
390
2

Độ cao treo dây chọn là 12m như vậy độ cao xà dưới cùng là :

21
,
14
21
,
2
12


(m)
Khoảng cách thẳng đứng từ dây dẫn đến mặt đất trong chế độ làm việc
bình thường không nhỏ hơn 7m với khu vực ít dân cư. Như vậy độ võng của dây
dẫn ta có thể lấy là f
dd
= 4,5 m, độ võng của dây thu sét ta có thể lấy là f
cs
= 4 m
(trong chế độ nóng nhất thì độ võng của dây dẫn là 4,88 m thỏa mãn khoảng
cách an toàn).
- Kích thước cột:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

7
A
C
B
Rc
3,9 m

1,6
tg
B


 =>
o
B
64,25
+ Pha C:

3068,0
1271,24
9,3
tg
C



=>
o
C
06,17
- Độ cao treo dây trung bình của dây thu sét và dây dẫn:
+ Dây thu sét:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

8

4

hh
BB
tb
B
 = 9 m
+ Dây dẫn pha C:
5,4
3
2
12f
3
2
hh
CC
tb
C
 = 9 m
- Tổng trở sóng của dây dẫn và dây chống sét:
+ Tổng trở sóng của dây được xác định theo công thức:

dd
tb
dd
r
h2
lg138Z  (1-10)
Trong đó:

tb
dd

3







Tổng trở sóng của dây chống sét:
Z
cs
=
547
1072,4
222
lg138
3







+ Khi có xét tới ảnh hưởng của vầng quang (do sét đánh) thì thành
phần của điện dung tăng lên làm cho tổng trở sóng giảm. Vì vậy ta cần phải hiệu
chỉnh lại bằng cách lấy tổng trở sóng Z
cs
chia cho hệ số hiệu chỉnh


41
547



,
Z
Z
CS
CSVQ



- Hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn các pha với dây chống sét:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

9
1'
2'
1
D12
h2
d12
Khi chưa xét ảnh hưởng của vầng quang thì hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn
và dây chống sét được tính như sau:

2
2
12
12


Khi có xét đến ảnh hưởng của vầng quang thì hệ số ngẫu hợp K được tính
theo công thức:
K =
0
K


Trong đó
4
1
,


do chỉ có 1 dây chống sét.
+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha A:
Trước tiên cần xác định các thông số:
l
A
= 3,5 m
515
1
,hh
tb
A
 m

22hh
tb
CS2

6637
41
2
3
2
2
12
12
,
,
ln
,
,
ln
,
r
h
ln
d
D
ln








+ Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha B:

2
12
,)(,)hh(lD
BB

m
Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha B:
K
B
=
1160
10724
222
514
631
41
2
3
2
2
12
12
,
,
ln
,
,
ln
.
r

2
12
,)(,)hh(ld
CC
 m
Khoảng cách giữa dây dẫn pha C và ảnh của dây chống sét:

23192293
222
12
2
12
,)(,)hh(lD
BB

m
Hệ số ngẫu hợp của dây chống sét với dây dẫn pha C:
K
C
=
1270
10724
222
613
231
41
2
3
2
2

tb
cs
nh),,(N 
3
10090060
Thay số với:
724,h
tb
cs
 m
89n
ngs

ngày
=>
198
132
89
7
24
09
0
06
0







: Xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây

η
: Xác suất hình thành hồ quang
Chúng ta sẽ lần lượt xác định các thông số trên:
- Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn
α
ν :
Được xác định theo công thức:
4-
90
hα
=νlg
c
α

Ta có góc bảo vệ của dây chống sét đối với dây pha A là góc bảo vệ lớn
nhất và dây dẫn pha A cũng nằm cao nhất, cho nên ta giả thiết tất cả sét đánh
vòng qua dây chống sét đều đánh vào pha A:





4
90
7124429
4
90
-

vào khoảng 400

.
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

12

Hình vẽ 1-3
Dòng tại điểm sét đánh:

2
I
2
400
200
200
I
2
Z
Z
Z
II
s
s
dd
0
0
s



U
50
4
 => dòng sét nguy hiểm khi sóng sét có
biên độ thỏa mãn:

dd
dd
%50
snghs
Z
U4
II 
Như vậy xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện đường dây là:

1,26
I
-
pđ
s
e
=
vq
dd
dd
%50
Z1,26
U4
e


lv
l
U
(kV/m)
50 30 20 10

(đơn vị tương đối)
0,6 0,45 0,25 0,1
Điện áp pha trong mạng 220 kV là:
Z
0
Z
dd

4
I
s

4
I
s
Z
dd
2
I
s
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

13
127



=> Do vậy suất cắt đường dây 220 kV do sét đánh vòng qua dây chống
sét (xét trên 100 km đường dây) là:
63,0589,0102,4198Nn
3
pđdd


309
,
0

lần/100km/năm
I.2.5 Tính suất cắt của đường dây 220 kV do sét đánh vào khoảng vượt:
C
LKV
Zcs
Zcs
0

Hình vẽ 1-5
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

14
Z0 Zcs/2
Zcs/2




đsđsS
đsS
tKhi a= I
tKhiat = I

Ta tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s


- Độ dài đầu sóng
đs

biến thiên từ 1 đến 10
s


Điện áp đặt lên chuỗi sứ cách điện khi sét đánh vào khoảng vượt đường
dây là:

LV
s
cs
C
sc
cđ
U)K1(

s
= at thì
a
dt
)at(d
dt
)t(di
s


Vậy:

LV
cs
C
c
cđ
U)K1(
2
a
L
2
atR
)t,a(U 








C0
cs
C
hLL 
Trong đó:
L
0
: Điện kháng đơn vị của thân cột L
0
= 0,6
H

/m
h
C
: Chiều cao của thân cột h
C
= 24,71 m
=> 814712460
0
,,,hLL
C
cs
C

H


Điện áp U


=
114
54
6
42
4


a
,
at
,

Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s


- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
s


Ta có bảng
)t,a(U
cđ
:
Bảng 1-2:

a


686,8

775,2

863,6

952 1040 1129

30 442,8

575,4

708 840,6

973,2

1106 1238 1371

1504 1636

40 552,4

729,2

906 1083 1260 1436 1613 1790

1967 2144

50 662 883 1104


2294 2692 3089 3487 3885

4283 4681

100 1210 1652 2094

2536 2978 3420 3862 4304

4746 5188

Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

16
Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện:
Bảng 1-3:

t(
s

)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U
pđ
(kV)

1780

1620


a = 50kA/µs
a = 40kA/µs
a = 30kA/µs
a = 10kA/µs
t (µs)
a = 20kA/µs
U (kV)
pd

Hình vẽ 1-7
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

17
Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì
sẽ có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định được các cặp thông số nguy hiểm
(a
i
, t
i
).
Bảng 1-4:

a
i
(kA/
s

)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


206

207

207

204

200

194- Với R
C
= 15

ta được:

 
1141160181415
2
 ),(,t
a
)t,a(U
cđ

=
114
t(
s

)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10
246

312

378

445

511

577

644

710

776

842

20
377

1504

1703

1901

2100

2299

40
641

906

1171

1436

1702

1967

2232

2497

2762

3028


1832

2098

2363

2628

2893

3158

70
1036

1500

1964

2428

2892

3356

3821

4285


2493

3089

3686

4283

4880

5476

6073

6670

100
1431

2094

2757

3420

4083

4746

5409

1180

1180

1180

1179Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

18
Từ các bảng thống kê trên ta vẽ được đồ thị:
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 32 5 64 8 97 10
6000
7000
a = 100kA/µs
a = 90kA/µs
a = 80kA/µs
a = 70kA/µs
a = 60kA/µs
a = 50kA/µs
a = 40kA/µs
a = 30kA/µs

s

)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t
i
(s)
15,1

7,05

4,9

3,8

3,1

2,59

2,2

1,89

1,63

1,43

I

1141160181420
2
 ),(,t
a
)t,a(U
cđ

=
114
54
6
84
8


a
,
at
,

Tiến hành tính toán với các thông số biến thiên:
- Độ dốc đầu sóng a biến thiên từ 10 đến 100 kA/
s


- Thời gian t biến thiên từ 1 đến 10
s


Ta có bảng )t,a(U


975

1063

20
422

598

775

952

1129

1306

1482

1659

1836

2012

30
575

841

2851

3204

3558

3911

50
883

1325

1767

2209

2651

3093

3535

3977

4419

4861

60


4285

4903

5522

6141

6759

80
1344

2052

2759

3466

4173

4880

5588

6295

7002


4304

5188

6072

6956

7840

8724

9608Đặc tính Vol – giây (V-S) của chuỗi sứ cách điện:
Bảng 1-9:

t(
s

)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U
pđ
(kV)

1780

1620

1 32 5 64 8 97 10
6000
7000
8000
9000
10000
a = 100kA/µs
a = 90kA/µs
a = 80kA/µs
a = 70kA/µs
a = 60kA/µs
a = 50kA/µs
a = 40kA/µs
a = 30kA/µs
a = 20kA/µs
t (µs)
pd
U (kV)
a = 10kA/µs

Hình vẽ 1-9
Khi điện áp đặt lên chuỗi sứ lớn hơn điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì sẽ
có phóng điện, trên miền đồ thị ta xác định được các cặp thông số nguy hiểm (a
i
,
t
i
).
Với I
i


1,75

1,5

1,29

1,12

I
i
(kA)
113

113

119

124

125

125

123

120

116






)II(P)aa(Pd
iipđ





MNH)I,a(P
pđ




Ta đã có:

 
126,
I
ii
i
eIIPV



:
Khi đó:
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

22

910910
1
1
,
a
,
a
aaai
ii
ii
eeVV








10
1i

10V

0,172 0,304 0,496

0,416

0,381

0,359

0,366

0,403

0,474

0,591

3
a
10V 

239,9 95,85 38,3 15,3 6,114

2,443

0,976

0,39 0,156


1
6
104899
j
pđđpđ
,

Như vậy suất cắt trong trường hợp điện trở cột R
C
=10

là:
630104899
2
198
6
,,Nn
pđkvkv



=
3
1026

,
lần/100km/năm
+ Trường hợp R
C
= 15


4,174

3
a
10V 

239,9 95,85

38,3 15,3 6,114

2,443

0,976

0,39 0,156

0,104

6
pđ
10

737 431,9

137,1

45,24

16,11

2
198
6
,Nn
pđkvkv



=
086
0
,
lần/100km/năm
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

23
+ Trường hợp R
C
= 20

:
Bảng 1-13:
a
s
/
kA


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
I(kA)

8,643

8,319

8,319

8,981

10,07

11,74

13,69

3
a
10V 

239,9

95,85

38,3

15,3

6,114

2,443


1,419Ta có xác suất phóng điện là:





10
1j
6
pđđpđ
105041

Như vậy suất cắt trong trường hợp điện trở cột R
C
=20

là:
630105041
2
198
6
,Nn
pđkvkv



=


24
lvcs
d
cu
s
dd
c
dd
ccccđ
u)t,a(ku)t,a(u
dt
di
)t(M
dt
di
LR)t,a(i)t,a(U 

(1-16)
Với các thành phần:
-
cc
R)t,a(i
là thành phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất cột điện.
R
C
= 10, 15, 20


-













(1-17)
Trong đó:

c
v


: tốc độ tương đối của phóng điện ngược của dòng sét,
3
0
,



c: vận tốc ánh sáng c=300000 km/s = 300m/

di
)t(M
s
dd
thành phần từ của điện áp cảm ứng xuất hiện trên dây dẫn do
hỗ cảm giữa khe phóng điện sét với mạch vòng dây dẫn - đất, trị số này phụ
thuộc vào thời gian do chiều dài khe phóng điện sét tăng cùng với sự phát triển
của phóng điện ngược.
a
dt
di
s














 1
21
20
h


cs
c
L điện cảm của phần thân cột tính từ mặt đất đến điểm treo dây
chống sét.
Bộ Môn Hệ Thống Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

25
)t(M
cs
hỗ cảm của khe phóng điện sét với mạch vòng dây chống sét -
đất.










 1
h2)1(
h2vt
lnh2,0M
c
c
c
cs

2
Lc
ic
Zcs
2ics
is
ics
s
ics
ic
Rc
vq

Hình vẽ 1-11
Trong sơ đồ dòng điện sét được coi như một nguồn dòng, coi thành phần
từ của điện áp cảm ứng trên dây chống sét như một nguồn áp.
Dây chống sét được thay bằng một tổng trở sóng có kể đến ảnh hưởng của
vầng quang.
Giải sơ đồ trên ta được:
)
Z
)t(M2tZ(
R2Z
a
)t,a(i
1
vq
cs
cs
vq



+ Sau khi có sóng phản xạ từ cột bên cạnh trở về:

s
2
t



Do ta chỉ xét hai khoảng vượt lân cận bị sét đánh, nên đoạn dây chống sét
của khoảng vượt được thay thế bởi điện cảm L
cs
, ta có sơ đồ thay thế: